[发明专利]一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法

说明书

本发明涉及一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法，方法利用多层膜的反射相位和高反射率调控间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波来精确控制超表面表面的能流分布，从而实现不同反射通道的任意比例控制；该方法包括设计宽度渐变的介质超表面结构、设计介质间隔层、扫描反射相位对实际能流分布的影响及设计符合要求的多层膜。与现有技术相比，通过仿真证明，采用本发明可以实现结构不同反射通道的任意比例控制，该方法具有设计思路简单，物理图像明确等优点，对于异常反射类超表面的实用化具有重要意义。

技术领域

本发明涉及电磁波波前调控技术领域，尤其是涉及一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法。

背景技术

超表面作为二维形式的超材料，在异常偏折、超透镜成像、全息成像等方面取得了重要进展。异常偏折是超表面对电磁波最基本的调控方式之一，也是许多复杂操作和功能的基础，因此对异常偏折的调控能力的强弱直接影响超表面器件能够实现的功能和性能。由惠更斯原理可知，超表面的反射行为，如不同反射通道的比例等，是由超表面表面处的场分布决定的，而场分布又对应着特定的能流分布，因此对超表面反射行为的调控取决于对能流分布的调控能力。有研究者提出优化金属超表面产生的表面波通道来实现能量的横向转移从而控制能流分布，但由于金属在光频的损耗导致其无法实现完全的调控，例如最高效率的异常反射效率无法超过85％，此外，表面波和结构之间的构效关系不明确导致需要复杂的优化算法。尽管可以使用介质超表面来避免光频的吸收损耗，但在介质超表面体系中如何同时避免透射损耗和实现能量横向转移的精确调控仍然是一个艰巨的挑战。

目前尚无有效的方法和结构可以利用全介质超表面同时实现以上两个条件来实现超表面能流分布的精确调控。

针对以上问题，如何使用全介质超表面在避免吸收和透射损耗的同时，实现能量横向转移的精确调控，是反射式超表面进一步发展急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种在避免吸收和透射损耗的同时，实现能量横向转移的精确调控的反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种反射式超表面能流分布调控组件，包括自下而上依次设置的基板、多层膜、间隔层和超表面结构，所述超表面结构采用高折射率材料、为柱子宽度渐变的结构，所述间隔层采用低折射率材料，间隔层的厚度大于间隔层介质中四分之一波长，所述多层膜的结构为Sub|(HL)^mABCDE|S；其中，(HL)^m为高反射率单元，H、A、C和E为多层膜中高折射率材料的厚度，L、B和D为多层膜中低折射率材料的厚度，入射介质S为所述间隔层。

进一步地，通过根据所述间隔层和超表面结构，获取最佳反射相位，从而调整所述A、B、C、D和E的厚度值，实现所述反射式超表面的能流分布调控；

所述获取最佳反射相位具体为：将间隔层设置在超表面结构下方，利用超表面结构的散射系数和间隔层的参数，在间隔层下界面对传输波保持高反射率以避免透射损耗的同时，扫描反射相位对间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波的影响，最终得到反射相位对实际能流分布的影响，通过和预设的目标能流分布的对比获得所述最佳反射相位。

进一步地，所述超表面结构包括多个超表面单元结构，所述超表面单元结构的周期和个数的计算表达式为：

Np＝λ/sinθ₁

式中，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，λ为波长，θ₁为出射光的角度，所述出射光的角度的取值范围在30度至90度范围以内。

进一步地，所述高折射率材料为Si或TiO₂。

进一步地，所述低折射率材料为SiO₂。