[发明专利]一种波长选择型超表面器件

摘要

本发明公开了一种波长选择型超表面器件，属于超材料技术领域，包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面。所述超表面包括多个电磁区域，同一电磁区域的纳米结构形状和尺寸相同，不同电磁区域的纳米结构形状不同或形状相同尺寸不同，每个电磁区域的纳米结构阵列只对特定波长的电磁波产生预设的电磁响应，从而实现了对波长的选择。本发明可使不同波长的入射光产生不同拓扑荷的OAM(轨道角动量)，以本发明为基础设计的超薄多波长光学器件在未来无线通信系统具有广泛的应用。

主权项

1.一种波长选择型超表面器件，其特征在于：通过所述超表面器件的结构使不同波长的入射光产生和聚焦不同拓扑荷的OAM(轨道角动量)，其结构包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面，所述超表面包括多个电磁区域，同一电磁区域的纳米结构形状和尺寸相同，不同电磁区域的纳米结构形状不同或形状相同尺寸不同，即每个电磁区域的纳米结构阵列只对入射至该区域的电磁波产生预设的电磁响应，其中，所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀制成，也可直接制作在基底上，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长；其中所述的超薄金属其厚度Tg的取值范围为：δ<Tg<λ/15，λ为入射光波长，δ为金属的趋肤深度，μ₀＝4π×10^‑7H/m，ω为圆频率，σ₀为金属的电导率；所述超薄介质厚度小于入射光波长；所述超表面是由金薄膜上的两种矩形纳米孔按照一定方式排列成阵列组成，其中基底厚度为Ts；金薄膜的厚度为Tg；第一矩形纳米孔(3)沿x轴的宽为w1，沿y轴的长为L1，周期为p1；第二矩形纳米孔(4)沿x轴的宽为w2，沿y轴的长为L2，周期为p2；波长选择型超表面器件的制作以及参数优化的具体方法如下：(1)确定和优化单元结构尺寸参数，首先对单个纳米孔的共振属性进行探讨，当左旋圆偏振光即LCP入射到纳米孔中，可转换为右旋圆偏振光(RCP)，设计两种不同尺寸的纳米孔，优化参数设定为：入射LCPλ＝930nm，w1＝40nm，L1＝200nm；入射LCPλ＝766nm，w2＝80nm，L2＝140nm；(2)设计超表面，为了使不同波长的LCP光入射到超表面器件产生OAM光束和聚焦的OAM光束，在超表面上预定义相位分布函数其中，k是波矢量，r为极坐标中的半径，f为焦距，l为拓扑荷值，θ为方向角，该相位分布函数是由产生OAM光束的螺旋相位Φ₁＝lθ和产生聚焦OAM光束的相位分布组成，将两种纳米孔结构单元按照预定义的相位分布方式进行排列；(3)利用仿真软件对超表面进行仿真测试，设定样品距离Z＝30μm，将λ＝930nm和λ＝766nm的LCP光分别入射在纳米孔结构阵列区域中，当λ＝930nm的LCP光入射时，产生了拓扑荷值l＝1的聚焦的OAM光束；当λ＝766nm的LCP光入射到超表面时，产生了拓扑荷值为l＝2的OAM聚焦光束。