一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构的制作方法

本实用新型涉及纳米光学领域，具体涉及一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构。

背景技术：

介质型超表面是光场调控的重要元件。目前许多调控光场的介质型超表面，主要通过相位对光场进行粗略的调控。但是对于光束的精细调控而言，不仅需要调控其相位，还需要调控其振幅。因此，发展对光场振幅与相位均可调的介质型超表面对于光场调控具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构，可以实现对光场的振幅与相位同时调制。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构，包括衬底层、振幅调节层以及相位调节层；所述衬底层的下端面和上端面分别设有振幅调节层和相位调节层；所述振幅调节层由若干规格相同但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述相位调节层由若干规格不同的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述振幅调节层的纳米柱的摆放角度根据期望的光场的振幅确定，所述相位调节层的纳米柱的尺寸根据期望的光场的相位确定。

进一步地，振幅调节层以及相位调节层均采用高折射率、低损耗材料。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的对光场振幅与相位均可调的超表面结构可实现对振幅与相位的同时调制，有利于对光场进行精细调控。

附图说明

图1为本实用新型实施例中超表面结构的总体示意图；

图2为本实用新型实施例中上层纳米柱、衬底层、下层纳米柱的简单连接示意图；

图3为本实用新型实施例中单元结构的下层纳米柱的横截面示意图；

图4为本实用新型实施例中单元结构的上层纳米柱的横截面示意图；

图5为本实用新型实施例中振幅调节层中的椭圆纳米柱的光场两正交偏振分量的振幅随着θ变化的关系示意图；

图6为本实用新型实施例中振幅调节层中的椭圆纳米柱的相位响应随着θ变化的关系示意图；

图7为本实用新型实施例中相位调节层中的椭圆纳米柱满足高透射下的覆盖0～2π范围的相位响应对应的长轴的分布示意图；

图8为本实用新型实施例中相位调节层中的椭圆纳米柱满足高透射下的覆盖0～2π范围的相位响应对应的短轴的分布示意图；

图9为本实用新型实施例中对光场振幅与相位均可调的超表面结构对平面波调制产生的一维艾里光束的传输过程的数值模拟结果示意图；

图10为本实用新型实施例中利用常规方法，即仅通过对平面波进行相位调控而得到的粗略的艾里光束的传输过程的数值模拟结果示意图；

图11为本实用新型实施例中的结构获得的近出射面的横向光场强度分布与理论结果的比较示意图；

图12为本实用新型实施例中利用常规方法获得的近出射面的横向光场强度分布与理论结果的比较示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

本实施例提供一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构，如图1-4所示，包括衬底层1、振幅调节层2以及相位调节层3。所述衬底层1的下端面和上端面分别设有振幅调节层2和相位调节层3。所述振幅调节层2由若干规格相同但摆放角度各异的椭圆纳米柱21排列组成；所述相位调节层3由若干规格不同的椭圆纳米柱31排列组成。

进一步地，所述衬底层1采用熔融石英材料制成。

进一步地，所述下层椭圆纳米柱21和上层椭圆纳米柱31均采用硅材料制成。

在本实施例中，如图2所示，所述下层椭圆纳米柱21规格为：长轴为dx1，短轴为dy1，高度为h1，其长轴和x轴的夹角为θ，晶胞长宽分别为sx1、sy1。上层椭圆纳米柱31的规格为：长轴为dx2，短轴为dy2，高度为h2，晶胞长宽分别为sx2、sy2。

本实施例中的对光场振幅与相位均可调的超表面结构，在工作波长为λ的线偏振光照射下，根据需要的振幅分布确定振幅调节层的各个椭圆纳米柱的摆放角度，并根据需要的相位分布确定相位调节层中的各个椭圆纳米柱的长轴、短轴。

作为一种实例，对于入射光为λ＝915nm的y方向线偏振光e0，可实现上述功能的下层椭圆纳米柱的几何参数为：dx1＝246nm,dy1＝166nm,h1＝715nm,sx1＝sy1＝650nm；上层椭圆纳米柱的几何参数为：sx2＝sy2＝650nm，选择合适的长轴dx2和短轴dy2可以获得高透射下需要的x、y偏振方向的相位

图5表示的是本实用新型实施例中振幅调节层中的椭圆纳米柱的光场两正交偏振分量的振幅(|ex|，|ey|)随着θ变化的关系，图6表示的是本实施例中振幅调节层中的椭圆纳米柱的相位响应随着θ变化的关系。从图5可看出，当θ在0o≤θ≤45o范围内变化时，光场的x，y分量的归一化振幅可实现在0～1之间变化，且与θ满足ex|＝|e0|sinθ、|ey|＝|e0|cosθ的关系。另外，从图6可看出，振幅调节层中的椭圆纳米柱的角度改变不会改变光场的相位响应分布。

对于相位调节层，可通过扫描相位调节层的椭圆纳米柱的结构建立相位响应数据库，再从相位响应数据库中根据所需相位响应分布对各个上层椭圆纳米柱选择合适的长轴dx2和短轴dy2。如图7-8所示，本实施例中对相位调节层中的椭圆纳米柱的长轴和短轴从60nm扫描到460nm，得到了高透射率条件下的相位响应分布，其已完整覆盖0～2π范围。其中，图7是满足相位响应对应的长轴分布，图8是满足相位响应对应的短轴分布。可根据对两正交偏振分量的操控要求选取相位响应并进一步根据所需要的相位响应选取对应的椭圆纳米柱的长轴dx2和短轴dy2。在本实施例中，出射光场的x偏振分量为有效调控光场，y偏振分量可通过检偏方式滤除。

图9-12为对本实施例中的光场振幅与相位均可调的超表面结构与常规的仅进行相位调控的方法的对比结果示意图。其中，图9表示的是本实施例的对光场振幅与相位均可调的超表面结构对平面波调制产生的一维艾里光束的传输过程的数值模拟结果，白色虚线表示理论预期的主瓣偏转轨迹。图10表示的是利用常规方法，即仅通过对平面波进行相位调控而得到的粗略的艾里光束的传输过程的数值模拟结果。图11表示本实施例结构获得的近出射面的横向光场强度分布(虚线)与理论结果(实线)的比较。图12表示常规方法获得的近出射面的横向光场强度分布(虚线)与理论结果(实线)的比较。将二者比较可知：无论是强度分布还是主瓣偏转轨迹，本实施例的超表面结构产生的光束都很接近理论预期，而且相比常规的仅进行相位调控的方法，本实施例的超表面结构产生的光束在光场分布和传输性质方面均有明显的质量提升。因此可知，本实施例的超表面结构有利于对光场进行精细调控。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。