[发明专利]基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅

说明书

本发明公开了一种基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅，其特征在于，所述超构光栅包括若干周期性分布的超晶胞，每个超晶胞包括金属基体，金属基体上设有若干周期性重复分布的凹槽，凹槽内填充有厚度不同的介质材料，且满足：其中，k₀＝2π/λ为平面波真空的波矢，N为正整数，ε为介质材料的介电常数，介质材料的磁导率为1，m为超晶胞内介质材料的单元数，即一个超晶胞内的凹槽数量，d_i和d_i+1为第i和i+1个单元内介质材料的高度。本发明中基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅结构简单、易于实现，只需在单元内填充厚度渐变的同一种介质材料(阻抗不匹配)，即可实现近乎完美效率的异常衍射现象。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅。

背景技术

近年来，超构光栅在电磁波调控领域引起了人们极大的关注，并且实现了各种异常的光学现象和器件。最近，有研究揭示了超构光栅新的衍射规律，即与光栅单元个数m奇偶性有关的异常透/反射转换，其原理是相位梯度导致了光栅的高级次衍射中存在额外的多次全反射，全反射次数和m有关。因此还可以利用这一原理实现金属光栅的角度不对称吸收，不对称吸收的程度也和m有关。

因此，超构光栅的单元个数m是一个很重要的自由度，研究不同个数的m对超构光栅带来的影响是一个很重要的方面。其中，与m奇偶性有关的异常透/反射转换研究是基于声学超构光栅设计的，并且超构光栅的每个单元都是通过设计的微结构来满足透射界面上所需的渐变相位。然而，对于光学超构光栅，人工设计的微结构会增加超构光栅系统的复杂性。最简单的满足透射界面相位渐变的方法就是在单元内填充介质材料，例如同样厚度但折射率渐变的介质材料。并且，为了保证光学超构光栅具有较高的透射率，单元内填充的材料通常要求是阻抗匹配的。

上述设计方法在实验中实现起来比较困难，因为要找到折射率正好是渐变的并且是阻抗匹配的几种材料是几乎不可能的。如何只用一种介质材料并且是阻抗不匹配的，就能实现界面相位渐变的要求并且保证超构光栅的高透射率是一个急需解决的问题。

关于如何提高光栅的透射率，之前也已经有了许多的研究。其中FP共振是一个很重要的手段，例如波正入射到一维的声学光栅，利用在光栅狭缝内激发FP的共振，导致光栅的高透射；还有将单个狭缝和金属光栅组合在一起，利用FP共振提高了单个狭缝的透射效率。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅，以实现近乎完美的异常衍射现象。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于法布里珀罗共振的光学介质金属超构光栅，所述超构光栅包括若干周期性分布的超晶胞，每个超晶胞包括金属基体，金属基体上设有若干周期性重复分布的凹槽，凹槽内填充有厚度不同的介质材料，且满足：

其中，k₀＝2π/λ为平面波真空的波矢，N为正整数，ε为介质材料的介电常数，介质材料的磁导率为1，m为超晶胞内介质材料的单元数，即一个超晶胞内的凹槽数量，d_i和d_i+1为第i和i+1个单元内介质材料的高度。

作为本发明的进一步改进，所述平面波经过超晶胞内第i个凹槽内的介质材料到达透射界面上时相位为：

所述平面波经过超晶胞内第i+1个凹槽内的介质材料到达透射界面上时相位为：

其中，为平面波入射到超构光栅的初始相位，h为超构光栅的总厚度。