[发明专利]基于超表面的广角散射和定向散射的元件结构及设计方法

权利要求书

1.一种基于超表面的广角散射和定向散射的元件结构，其特征在于：利用算法设计了不同的相位梯度分布，通过算法约束光波散射范围并结合超表面材料设计得到以实现可调控光波散射角度范围的散射元件结构；

包括：实现广角散射的相位梯度分布的超表面元件和实现定向散射的相位梯度分布的超表面元件；

所述散射元件结构均由若干个电介质纳米砖单元在基底上构成的电介质纳米砖阵列组成；所述电介质纳米砖阵列中，电介质纳米砖均为等间距排列；

所述电介质纳米砖构成的纳米单元的转向角以算法给出的相位梯度为依据，纳米单元的转向角和相位之间的关系满足以下公式：

φ＝2θ

其中，φ为纳米单元的相位，θ为纳米单元的转向角；

所述实现定向散射的相位梯度分布的超表面元件结构包括：

实现-60°～60°散射的相位梯度分布的超表面元件，

实现15°～30°散射的相位梯度分布的超表面元件，

实现30°～45°散射的相位梯度分布的超表面元件，

实现45°～75°散射的相位梯度分布的超表面元件；

所述基底为二氧化硅；所述电介质纳米砖为硅纳米砖；

所述电介质纳米砖阵列为透射式硅纳米砖阵列。

2.一种基于超表面的广角散射和定向散射的设计方法，其特征在于：利用如权利要求1所述基于超表面的广角散射和定向散射的元件结构以实现广角散射与定向散射，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定电介质纳米砖阵列的工作波长；

(2)针对工作波长，利用电磁仿真软件，对纳米砖的长Lx、宽Ly、高H和电介质纳米砖单元结构尺寸P进行设计，确定在工作波长处，电介质纳米砖可以实现半波片功能；

(3)利用设计算法得到所需散射角度范围下需要的相位分布；

(4)将相位分布与单元结构内电介质纳米砖的转向角θ对应起来；

(5)按照算法给出了相位分布，结合步骤(4)将电介质纳米砖进行排布，即得到具有不同散射功能的电介质纳米砖阵列；

(6)用工作波长的光波垂直照射电介质纳米砖阵列，即得到广角散射或定向散射的散射光场；

所述电介质纳米砖阵列为透射式硅纳米砖阵列；

选取工作波长为λ＝632nm；利用电磁仿真软件Comsol对硅纳米砖单元结构进行优化设计，使硅纳米砖具有半波片的功能；经过优化设计的硅纳米砖单元结构在工作波长下的参数为：P＝300nm，Lx＝150nm、Ly＝60nm和H＝380nm。