[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

说明书

本发明公开了一种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。本发明的设计方法针对工作波长，优化设计单元结构，通过改变硅纳米砖转向角可以调控相位，将所需的散射光场输入算法，计算相位排布，根据算法给出的相位梯度排布硅纳米砖的转向角，用工作波长垂直照射即可得到所需的广角散射或定向散射光场。本发明方法设计流程简单且设计的相位梯度通用；提高了对光散射方向的控制能力，使光散射到设计的角度范围；散射元件为超表面，更轻薄以及便于集成化；可广泛应用于光学照明、光学成像等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学散射领域，尤其涉及一种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。

背景技术

光学散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原有方向传播而向四周散开的现象。传统的光学散射器件可以分为透射式和反射式，反射式散射器件基于粗糙的反射面，可以视为许多个不同反射面的组合，从而将入射光反射到不同方向；透射式散射器件基于物体表面随机起伏的结构，带来的折射率不均匀分布，使得光路沿着不同方向出射。根据不同的散射机理，光的散射在光学照明、三维表面检测、光学成像等领域有着广泛的应用。光学散射器件的要求也在不断提高，包括更轻薄、更高效以及对光散射范围的调控等。

随着微纳结构的发展，传统的折反射定律得到了进一步补充。通过广义的折反射定律，利用相位梯度的设计，就可以实现光波折反射角度的控制。近年来，超表面材料的发展，提高了对光波振幅、相位以及偏振的控制能力，尤其是对光波相位的调控不再依赖于光程的累积。在二维平面上，超表面材料通过对纳米结构的排布就可以实现光波相位的调控，使光学器件趋向于集成化、轻薄化。多种新的散射表面的设计以及被提出，如“Moccia M，Liu S，Wu R Y，et al.Coding metasurfaces for diffuse scattering：scal ing laws，bounds，and suboptimal design[J].Advanced Optical Materials，2017，5(19)：1700455.”中论述了一种随机相位编码的反射型散射表面的设计“Neder V，Ra’di Y，AlùA，et al.Combined Metagratings for Efficient Broad-Angle ScatteringMetasurface[J].ACS photonics，2019，6(4)：1010-1017.”中通过结合多个不同散射角的单元结构实现了大角度的散射范围。然后，前者论述的随机相位编码欠缺对散射范围的调控能力，后者存在明显零级反射，且散射角度的设计依赖于不同的单元结构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种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，并利用其实现广角散射元件与定向散射光学元件的设计。用此设计方法，可以实现光波从-60°～60°的广角散射，同时可以实现-60°～60°任意角度范围下的定向散射型元件的设计。

为实现上述目的，本发明的包括两个方面，一是利用算法设计所需要的散射角度范围下的相位梯度分布，二是利用超表面实现散射元件的设计。具体方案如下：

第一方面，本发明提供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。