[发明专利]一种基于悬链线结构的高效率超表面器件

说明书

本发明提供一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，包括至下而上的介质衬底和介质悬链线结构。本发明设计巧妙，结构简单，通过变宽度介质悬链线光栅结构，可实现对电磁波高效率调控。本发明可用于设计高效率的透镜、分束、偏折、成像等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控技术领域，特别涉及一种基于悬链线结构的高效率超表面器件。

背景技术

超表面一种由亚波长结构按照一定规律排布的新型人工电磁材料，其厚度小于一个波长。超表面对电磁波具有灵活的调控能力，包括偏振、相位、振幅。目前超表面器件大多数都是由周期性结构排列组成，这意味着对电磁波的调控是离散型的。离散型调控会引起低效率，例如针对大角度偏折的情况，由于一个光栅周期只能填充极少数量的亚波长结构，这会导致器件衍射效率较低。其中一个解决方案，就是减小亚波长结构的周期，这样可以使得一个光栅周期尽可能多地填充亚波长结构，使得波前趋近于连续化，但这同样也会大幅度增加加工难度。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出利用变宽度介质悬链线光栅结构，可实现对电磁波波前的连续调控，从而得到高效率超表面器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质悬链线光栅结构，其中上层介质悬链线光栅结构由变宽度悬链线结构和竖条光栅构成。首先采用介质悬链线光栅结构实现对相位的连续调控，其次对悬链线光栅的宽度进行调制，用于相位补偿，实现精准相位控制，最终实现高效率超表面器件。

其中，所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t10λ₀，介质悬链线光栅结构的厚度为h，其取值范围为hλ₀，λ₀为中心波长。

其中，所述悬链线光栅结构的横向周期为Px，取值范围无限制，纵向周期为Py，其取值范围为Pyλ₀/2，λ₀为中心波长。

其中，所述介质悬链线结构中悬链线跨度为l，其取值范围为Px/2lPx，悬链线宽度为w₁，其变化范围为Py/6w₁Py/2。

其中，所述介质悬链线结构中的竖条光栅的宽度为w₂，其取值范围为Py/6w₂Py/2，两个悬链线结构间竖条光栅数量为m，其取值范围为(Px-l)/Py≤m≤2(Px-l)/Py。

其中，所述介质悬链线光栅结构与介质衬底所用材料适用于二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、砷化镓等所有针对于工作波段的低损耗介质材料。

本发明具有的有益效果在于：

首先，采用全介质结构，比起金属结构，损耗低、效率高；其次，利用悬链线光栅结构，实现对电磁波相位的连续调控，尤其是对于大角度偏折，连续调控相比于离散调控有具有明显优势，效率高；然后，对悬链线光栅的宽度进行连续调控，用于相位精准控制，进一步提高效率；最后，该发明具备结构简单、效率高、可量产等优势，能够进一步推广超表面器件的应用。

附图说明

图1为本发明的基于悬链线结构的超表面器件示意图，其中，(a)为器件俯视图，(b)为器件局部示意图，(c)为器件局部三维示意图；

图2为实施例1中本发明设计的四个偏折器件的(a)-(d)结构示意图和(e)-(h)仿真远场能量分布图，其中，(a)-(d)分别为偏折30°、45°、60°和75°的超表面器件的局部示意图，(e)-(h)分别为偏折30°、45°、60°和75°的超表面器件的仿真远场能量分布图；