[发明专利]基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法

说明书

本发明公开的基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法，属于微纳光学和全息技术领域。本发明实现方法为：设计超颖表面单元结构，超颖表面是由具有不同几何尺寸的介质圆纳米柱阵列构成，通过改变纳米柱单元几何半径和高度，超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控；只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或时域有限差分法FDTD计算出入射光通过曲面的相位分布然后根据衍射理论或全息原理分析方法计算出用户定制功能的相位分布从而用介质共形超颖表面补偿两者的相位差对超颖表面相位进行编码。用户定制功能包括透镜聚焦、可调异常折射、光学隐身和幻象功能。本发明能够解决可穿戴电子产品、医疗设备或光电器件领域相应的技术问题。

技术领域

本发明涉及一种光学调制的方法，尤其涉及基于介质共形超颖表面对于任意曲面物体的波前进行调制而实现用户定制功能的光学特性的方法，属于微纳光学和全息技术领域。所述的用户定制功能的光学特性包括透镜聚焦，可调异常折射，隐身和幻象。

背景技术

超颖表面是二维超材料的一个新的子范畴，由周期性、准周期性或随机分布的亚波长金属/介质天线组成，可以局部修改电磁波的振幅、相位和偏振。与传统的光学器件(如空间光调制器和衍射光学元件)相比，超颖表面对于波前的调制不依赖于传播路径的相位累积。超颖表面提供了一种通过光与纳米天线的相互作用来调控光场特性的新方法。通过调节纳米天线阵列的几何形状、尺寸和空间方位角，能够灵活调控入射光的波面。此外，与大型光学组件相比，超颖表面具有超薄、低损耗、平面化、柔性和易于制造的优点。在各种类型的超颖表面中，惠更斯超颖表面能够操纵透射波前，同时表现出高透射率。由于介质共形超颖表面可以同时高效地控制光的相位和偏振，它为微型化光学系统提供了通用的平台。由于其独特的光学特性，超颖表面已经取得广泛的应用，如变换光学器件、光束整形、超薄高分辨率全息图、集成光子学、轨道角动量操纵等。

除了对于平面介质超颖表面的研究外，共形超颖表面为改变任意曲面物体的光学特性提供了很大的灵活性，但仍然面临一系列的挑战。其中一个主要的挑战是，当入射光通过任意高度的物体时，散射波前将扩散到不同的方向，并在整个空间中引入随机的相移。同时，曲面共形超颖表面的设计理论和纳米加工方法仍在发展之中。共形超颖表面可以包围在任意曲面物体的表面，能够实现各种实际应用，取代传统光学元件，例如柔性显示电子产品、内窥镜医疗设备、高速飞行器上的探测器和传感器、导弹等。尽管在平面超颖表面设计方面取得了丰硕的成果，但很少有研究人员在任意曲面结构上利用共形超颖表面实现一些应用。

发明内容

本发明公开的基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法要解决的技术问题为：介质共形超颖表面是由不同半径尺寸的圆纳米柱组成，对于任意的曲面物体，在透射方向实现波前调制，通过波前调制实现用户定制功能的光学特性，且具有如下优点：(1)能够在垂直和微小倾斜角(20°以下)入射的情况下实现波前调制；(2)超颖表面对于偏振不敏感；(3)具有90％以上透射效率。所述的用户定制功能包括透镜聚焦、可调异常折射、光学隐身和幻象(曲面全息)功能，上述用户定制功能能够应用于可穿戴电子产品，医疗设备和光电器件等场合。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法，设计超颖表面单元结构，超颖表面是由具有不同几何尺寸的介质圆纳米柱阵列构成，通过改变纳米柱单元几何半径和高度，超颖表面对出射光束的相位进行任意地调控；只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或时域有限差分法FDTD计算出入射光通过曲面的相位分布然后根据衍射理论或全息原理分析方法计算出用户定制功能的相位分布从而用介质共形超颖表面补偿两者的相位差用户定制功能包括透镜聚焦、可调异常折射、光学隐身和幻象功能；最后对超颖表面相位进行编码。基于介质共形超颖表面实现相应的波前调制，解决可穿戴电子产品、医疗设备或光电器件领域相应的技术问题。

本发明公开的基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法，包括如下步骤：

步骤一：设计超颖表面单元结构。