[发明专利]一种基于超构表面的超薄衍射光学元件

说明书

本发明公开了一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角决定了纳米棒对光的相位调制，所述纳米棒的方向角对光相位的调制满足相位方程相位Φ在0～2π内发生变化，正负由入射光和透射光的偏振方向决定，入射光和出射光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振，则相位为正，入射光和出射光分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，则相位为负。在相同衍射效果下，本发明的衍射光学元件的结构是二台阶的，元件更薄更简单，消除对称像，实现宽带成像。

技术领域

本发明涉及一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，属于光学技术领域。

背景技术

1967年，前苏联物理学家V.G.Veselago提出一个大胆的猜想：如果某种材料同时具有负介电常数ε和负磁导率μ，那么其折射率将为负值，且材料中的电场、磁场和波矢之间满足左手定则，称之为“左手材料”或“负折射率材料”。直到2001年，美国物理学家D.R.Smith利用金属线和金属开口谐振环首次构造出微波波段的负折射率材料，第一次用实验验证了左手材料的存在。此时，Veselago提出这种特性奇特的材料不仅是指左手材料，应该是可以被设计成具有任意值的介电常数ε和磁导率μ的复合功能材料，可实现自然界中不存在的电磁参数或电磁特性，如逆斯涅耳定律、反多普勒效应和反契伦科夫辐射效应等。在1999年9月，来自德州大学的Rodger M.Walser教授首次将这种自然中不存在的新型人工结构材料为“超构材料”(Meta-materials)，意思是指对电磁波的操控具有超出常规结构的极限特性。

超构材料是典型的基于亚波长结构(也称人工原子或超原子，Meta-atom)构建的人工结构材料，通常是指体三维超构材料，但是由于三维加工问题和金属损耗问题(尤其是在光波段)严重影响了其进一步发展。如果将三维超构材料压缩到二维，则有可能解决以上问题。基于这一构想，今年来形成了一个新兴的研究领域是“超构表面”。超构表面逐渐形成相对独立的学科，同时又与表面等离子体光学、超构材料学等学科相互交融，具有平面化、易加工、设计灵活等优点，将工作波段扩展到光学波段，并增大了带宽。

目前的衍射元件都是基于折衍射定律设计构建的，因而对波长变化敏感，并且为了解决现有技术中存在对称像问题，提高衍射系效率，必须增加量化台阶数，造成加工复杂，精度降低。因此，基于二维超构表面对光波段的操控特性，开发一种的全新的衍射光学元件，对于扩展波段、提高效率、简化加工工艺、节约成本、促进实用化是具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，简化结构和制作工艺，降低成本，消除对称像，实现宽带清晰成像。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角决定了纳米棒对光的相位调制，所述纳米棒的方向角对光相位的调制满足相位方程相位Φ在0～2π内发生变化，正负由入射光和透射光的偏振方向决定，入射光和透射光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振，则相位为正，入射光和透射光分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，则相位为负。

优选地，所述金属纳米棒的方向角在0～π内变化。

优选地，所述金属纳米棒的尺寸为：长度为140nm，宽带为60nm，高度为100nm。

优选地，所述衍射元件的像素周期为200nm。

优选地，所述金属纳米棒的材质是金、银。

优选地，所述衍射光学元件的入射光为圆偏振，波长为380～780nm。