[发明专利]基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法，具有定向整流功能的片上超表面能实现对多个入射角(±20°内)的表面波的整流，使其都沿法线方向(0°)传输和传播，形成类似零折射率材料的性能。这种片上整流超表面由银基底层‑二氧化硅波导层‑半椭圆形和等腰梯形银纳米结构层构成，半椭圆形结构和等腰梯形结构通过相互作用产生的表面等离子体共振及其诱导的相位梯度实现对表面波的操控。设计片上整流超表面的具体方法为：同时优化半椭圆形结构尺寸、等腰梯形结构的大小边尺寸，以及半椭圆层和等腰梯形层之间的距离，使其在尽可能大的的斜入射角度下实现整流功能。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法。

背景技术

近年来，人们越来越关注一种可以在新的自由度上操纵光的超表面，即片上(2D)超表面。片上二维超表面为光学操作创造了一个新的自由度，它可以很容易地实现许多在复杂三维(3D)超表面难以实现的功能。光与片上二维元表面相互作用的最新发展和进展可以实现许多新颖的片上功能和应用，包括片上超透镜，片上光束转向，模式多路复用、解复用，模式转换器，Airy光束，无衍射传播等等。利用亚波长纳米天线阵列引起的相移的空间变化，这种二维超表面可以调制片上波面的形状和方向，最终实现任意平面内的光学操纵。

光整流是光学转向领域的一个长期挑战，它是指在同一输出方向上操纵和合并具有多个方向波振器的光束，基于传统光学很难实现。据我们所知，具有这种波束整流功能的片上超表面还没有被研究或演示过，因为操纵多个不同的入射波矢量并使它们以相同的出射波矢量出去是相当困难的。典型的光整流装置是利用部分反射/透射镜，它可以组合两个正交传播波，但成本至少50％的光能。零折射率材料可以实现光从任意角度入射沿一个角度出射的功能，但目前只支持对红外波段的光进行调制。片上光学定向整流超表面可以对可见光波段内不同角度入射表面波的整流，实现一种类似零折射率的现象。片上光子器件易于制造，兼容性好，集成度高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法。片上定向整流技术实现了±20°内斜入射的表面波都沿0°出射，且在60nm的带宽下都能工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面，其特征在于：

由四种结构构成：金属基底层，电介质波导层，一列半椭圆形金属微纳结构和一列等腰梯形金属微纳结构组成的整流层；

所述一列半椭圆形金属微纳结构是对平面波进行的第一次整流，且平面波入射方向垂直于半椭圆的长轴方向；

所述一列梯形金属微纳结构，每两个梯形作为一个整流单元，它们的大边相接且沿大边对称，这列梯形金属微纳结构是平面波进行的第二次整流。

所述金属基底层，电介质波导层和两列金属微纳结构层按照顺序依次排布。

作为优选方案，所述金属基底为银基底。

进一步地，所述电介质波导为二氧化硅波导。

更进一步地，所述两列金属半椭圆型和金属等腰梯形整流微纳结构均为银纳米结构。

第二方面，本发明提供一种设计如上述基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：确定半椭圆形微结构的长短轴尺寸工作波长，使这个波长下的表面波沿±20°范围内斜入射后聚焦在其长轴范围内；

S2：同时优化两列微结构间的距离和第二列等腰梯形微结构的大小边尺寸使其满足沿法向方向出射的相位梯度。