[发明专利]基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面

说明书

基于周期性圆环‑抛物线型复合孔阵列的数字超表面，包括电介质基底和设于其正上方的金属薄膜。金属薄膜上刻蚀有复数个周期性阵列排布的圆环‑抛物线型单元，圆环‑抛物线型单元包括均贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和抛物线型孔，抛物线型孔位于圆环内且抛物线型孔的中心与圆环的圆心重合，抛物线型孔为对称的类“H”形结构，包括轴对称设置的第一抛物线型边与第二抛物线型边。调节从电介质基底方向垂直入射到金属薄膜上的入射光的偏振角度范围，能够构建可编码的一比特、二比特透射数字超表面。本发明结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成；具有较高的开关比、功耗低、无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。

技术领域

本发明涉及微纳光子器件领域，特别是一种基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面。

背景技术

近年来，超表面的光学响应特别是近红外区域光谱响应的调控，仍然是开发基于人工数字超表面的实用光学器件的关键挑战。人工数字超表面通常由周期或者准周期排布的亚波长人工单元结构所组成，利用人工数字超表面可以改变电磁波传输特性。人工数字超表面通常分为透射电磁超表面和反射电磁超表面。

现有的用于超表面设计的各种控制机制主要是通过动态地控制电磁波，包括控制电、温度和光学等方法。在光学频段构建动态超表面的典型方法是使用电或光可调二极管，例如中国专利公开号为CN104078771A的发明申请，公开了一种数字式可编程超表面，在金属介质基板上表面蚀刻的微带贴片上集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压下形成不同的电磁特性从而构建具有两个相位状态的超表面；以及中国专利公开号为CN109326888的发明申请，公开了一种一比特光控数字式超表面，在金属介质基板上侧的两个金属贴片之间设有连接金属贴片的变容二极管，并通过电压偏置线实现相位变化构建数字超表面。然而现有的超表面设计通常需要辅助电源和复杂的控制电路，不仅会增加系统的大小，还会带来不利的串扰。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，通过在电介质基底上周期性排布圆环-抛物线型复合孔构建数字超表面，并改变入射光的偏振方向，有效调节透射光的透过率，并对不同的透过率进行编码。

本发明的技术方案是：基于周期性圆环-抛物线型复合孔阵列的数字超表面，包括电介质基底和金属薄膜，金属薄膜设置于电介质基底的正上方。

金属薄膜上刻蚀有复数个圆环-抛物线型单元，复数个圆环-抛物线型单元周期性阵列排布于金属薄膜上，所述的圆环-抛物线型单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向的抛物线型孔，抛物线型孔位于圆环内且抛物线型孔的中心与圆环的圆心重合。

抛物线型孔为对称的类“H”形结构，由依次首尾连接的第一直边、第二直边、第三直边、第一抛物线型边、第四直边、第五直边、第六直边、第二抛物线型边构成，第二直边的长度与第五直边的长度相等，第一直边、第三直边、第四直边和第六直边的长度相等，第一直边与第二直边的夹角、第二直边与第三直边的夹角、第四直边与第五直边的夹角、第五直边与第六直边的夹角均为90度，第一抛物线型边与第二抛物线型边沿第二直边和第五直边的中轴线对称。

本发明进一步的技术方案是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，电介质基底的厚度为225～350nm；所述金属薄膜的材料为银或金，金属薄膜的厚度为50～150nm。

本发明进一步的技术方案是：所述圆环-抛物线型单元的数量不小于9，复数个圆环-抛物线型单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个圆环-抛物线型的排列周期为300～900nm。

本发明再进一步的技术方案是：所述圆环的内圆半径为100～250nm，圆环的宽度为20～60nm；所述抛物线型孔的第一直边的长度为25～55nm，第二直边的长度为为100～300nm，第一抛物线型边和第二抛物线型边的极值点到焦点的距离为1.25～10nm，焦点到第二直边和第五直边的中轴线的距离为6.25～35nm。