[发明专利]一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件

说明书

本发明涉及一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，属于电磁波和电磁超材料技术领域。包括上下两层的巴比涅复合梯度相位超构表面，巴比涅复合超构表面是上下两层结构互补的超构材料，上层为金属纳米条梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米条，下层为金属纳米槽梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米槽，中间为介质层。圆偏振入射光与超构表面相互作用以后会产生异常折反射现象，通过合理调控金属层的厚度，巴比涅复合超构材料将产生很强的非对称异常反射现象。本发明能够实现对比度非常强的圆偏振光非对称反射现象，具有圆偏振转换效率高、非对称反射现象明显、易于集成等优点，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，属于电磁波和电磁超材料技术领域。

背景技术

偏振是电磁波的一个重要特性，操纵电磁波的偏振态在光子学研究中是至关重要的。控制光的偏振态这一技术的应用也十分的广泛。传统得到线偏振光的方式一般采用偏振片、波片堆、晶体(波片)、尼科尔棱镜等，而椭圆偏振光需要通过起偏器和波片得到。超构材料的出现为调控光的偏振态提供了全新的思路，在以超构材料为基础的偏振调控方面，众多超构材料中丧失了镜面对称的手性超构材料性能最佳，是最有应用前景的超构材料。此外，梯度相位超构材料可实现超构材料光的偏振调控及异常折反射。而相较于线偏振光，圆偏振光可用于研究手性材料的信息，可实现光学涡旋、自旋轨道耦合等光学现象，也可应用于生物制药、生物传感等领域，所以有效利用超构材料来调控圆偏振光的偏振态拥有更为广阔的前景。

在超构材料调控偏振的研究领域中，非对称传输是一项重要应用，它的含义主要是指，当同一偏振态的入射光沿着正反两个方向入射到超构表面时，透射及反射光发生偏振转换的强度不同。所以，当一种超构平面在同一入射偏振光且入射方向不同的条件下，所得到的反射系数不同时，我们称这种现象为非对称反射现象。2006年，Fedotov及其课题组成员设计出一种类似于鱼鳞结构的超构表面，这种超构表面是一种具有手性的超构表面，他们利用这种结构研究其对光波的偏振传输调控能力，并意外地发现了非对称传输现象。现如今，利用梯度相位超构表面实现偏振转换及非对称传输现象成为超构材料研究领域的一大热点，利用具有强非对称传输或反射现象的超构材料可以来设计偏振转换器、光波导耦合器、电磁可调谐器等器件，以及在某些成像系统中，具有非对称传输特性的超构表面在其中起着关键性的作用。

2011年，Capasso教授与其课题组成员设计出一种新型的V型梯度超构表面，这种V型结构按照不同的排列方式，可以产生不同的异常传输现象。当V型结构周期性排列时，这种梯度相位超构表面可以对线偏振光产生很强的偏振转换效果，线偏振光通过超构表面可以产生异常折射现象；当V型结构按散射排列时，这种排列方式的V型梯度超构表面对圆偏振光具有很强的偏振调控效果，透过这种超构表面的光束会产生光漩涡现象。这种具有梯度相位的V型超构表面的设计方式，为后来的超构表面结构设计提供了新的思路。

2016年，张磊等人将双层V型超构表面复合叠加，其一个周期结构单元是由六个具有梯度相位的V型槽与V型条相结合而成的，这种超构表面实现了在可见光波段线偏振光36.5％的透射交叉极化传输效率，实现了线偏振光的异常折反射。然而，这一设计没有涉及圆偏振光的偏振态调控，也没有表现出优异的非对称反射现象，而圆偏振光可应用于生物制药、生物传感等领域，也可实现光学涡旋、自旋轨道耦合等光学现象。

发明内容

本发明的目的是为了实现高对比度的圆偏振光非对称反射而提供一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件。

本发明的目的是这样实现的：是一种层状结构的巴比涅复合梯度相位超构表面，上层为由金属纳米条组成的金属纳米条梯度相位超构表面，下层为由金属纳米槽组成的金属纳米槽梯度相位超构表面，上层和下层的中间为介质层，金属纳米条及金属纳米槽的结构参数和空间相位变化规律完全相同、互为正负结构。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、金属纳米条及金属纳米槽在空间成梯度变化且呈阵列布置。