复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法

1.本发明属于电磁波相位调控的技术领域，尤其涉及一种复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法。


背景技术：

2.超表面是一类由空间变化的亚波长单元结构组成的平面光学元件，可以对光波的相位、振幅、偏振等多个参数进行调控，在成像、全息、光学加密、量子信息等领域具有重要意义。然而在现有非线性超表面中，相位调控大多依赖单独的非线性几何相位或传输相位，这限制了波前调控的灵活性。
3.类比于线性光学中的几何相位，在非线性超表面的研究中也引入了几何相位的概念。以圆偏振光照射超表面时，产生的与基频光相同或相反圆偏振态的n次谐波携带的相位为(n-1)σθ和(n+1)σθ，即非线性几何相位。其中，σ＝
±
1表示入射基频光的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态，θ表示超构原子旋转角。由此可见，左右旋圆偏振基频光分别入射时，超表面上产生的谐波携带的几何相位相反，难以复用；同一旋向的基频光入射时，产生的不同旋向谐波的几何相位之间也存在关联，不能完全独立调控。而仅依靠结构尺寸改变引入的传输相位没有自旋选择性，为了提高非线性光场独立调控的自由度，一般需要多个超原子联合调控。例如，目前仅基于非线性几何相位调控实现矢量全息的非线性超表面联合了4个超原子组成超级单元，以独立调控非线性谐波的相位、振幅、偏振等参量，这大大增加了结构设计的复杂性和像素尺寸，也降低了调控精度。因此，基于单个超原子实现非线性谐波左右旋相位的独立调控对于多维非线性光场的调控具有重要意义。
4.在线性光学系统中，可以通过结合几何相位和传输相位打破自旋-轨道相互作用对称性，实现左右旋相位的独立调控。但大多数情况，为了降低偏振转换效率波动，传输相位只能通过离散改变结构尺寸实现分立调控，这降低了相位调控精度。然而，在非线性光学系统中，由于超构原子结构尺寸的改变容易影响频率转换的共振增强条件，进而导致谐波振幅随结构尺寸变化更敏感。因此，非线性几何相位和传输相位的协同调控目前尚难以实现。


技术实现要素：

5.针对非线性几何相位和传输相位协同调控所存在的上述问题，本发明提供一种复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法，其基于复合非线性超表面提出自旋解耦的相位调制方法，实现了二次谐波左右旋相位的独立调控。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明的一方面提供了一种复合非线性超表面，自下而上包括：
8.衬底层；非线性介质层；超表面结构层，包括多个呈周期性排列的金属超构原子；所述金属超构原子具有三重旋转对称性，包括y形结构和分别与所述y形结构的三条臂端部连接的三段圆弧结构；所述圆弧结构具有内弧和外弧，并且所述外弧所对应半圆心角与内
弧所对应半圆心角之间具有预设的角度差；
9.其中，所述超表面结构层的多个金属超构原子具有相同或不同的面内旋转角以引入自旋相关的非线性几何相位调控，所述多个金属超构原子中的圆弧结构具有相同或不同的内弧所对应半圆心角以引入自旋无关的传输相位调控，所述复合非线性超表面能够在圆偏振态基波的泵浦下实现二次谐波左右旋相位的独立调控。
10.进一步地，所述金属超构原子呈周期性排列包括采用六角晶格形式排列，结构周期为p且p《λ0/2，其中，λ0为圆偏振态基波的波长，位于近红外或中红外波段。
11.进一步地，所述金属超构原子的圆弧结构中外弧所对应半圆心角与内弧所对应半圆心角之间预设的角度差δα的取值范围为0≤δα＜π/9。其中，圆弧结构的外弧或内弧所对应半圆心角是外弧或内弧尖端与y形结构中所对应臂的夹角。
12.进一步地，所述金属超构原子的圆弧结构中所述内弧所对应半圆心角α1的取值范围为0＜α1＜π/3-δα；所述金属超构原子的圆弧结构中所述外弧所对应半圆心角为α2的取值范围为δα＜α2＜π/3。
13.进一步地，所述金属超构原子的面内旋转角θ的取值范围为0≤θ≤2π。其中，θ为y形结构的一条臂与y轴的夹角。
14.进一步地，所述金属超构原子的圆弧结构宽度w1＜p/4，所述金属超构原子的y形结构臂长l
＜
p/4，所述金属超构原子的y形结构臂宽w2＜p/4。
15.进一步地，所述超表面结构层的厚度h的取值范围为30nm≤h＜150nm，所述非线性介质层的厚度t的取值范围为15nm≤t≤30nm，所述衬底层的厚度d的取值范围为0.5mm≤d≤2mm。
16.进一步地，所述超表面结构层中金属超构原子的材料包括金、银和铝中的一种，所述非线性介质的材料包括氧化铟锡、多量子阱和铌酸锂中的一种，所述衬底层的材料包括硅、二氧化硅和蓝宝石中的一种。
17.本发明的另一方面提供了基于复合非线性超表面的二次谐波左右旋相位独立调控方法，采用上述的复合非线性超表面进行二次谐波左右旋相位的独立调控。
18.进一步地，通过改变所述超表面结构层中金属超构原子的面内旋转角进行非线性几何相位的调控并通过改变所述金属超构原子中圆弧结构的内弧所对应半圆心角或外弧所对应半圆心角进行传输相位的调控，进而在圆偏振态基波的泵浦下基于所述复合非线性超表面实现二次谐波左右旋相位的独立调控。
19.与现有技术相比，本发明的复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法通过对复合非线性超表面的结构设计及优化，结合了非线性几何相位和传输相位调控，打破了光子非线性自旋-轨道相互作用对称性，实现了二次谐波左右旋圆偏振分量相位的独立调控，对非线性光学系统中实现超紧凑多功能器件以及多维光学数据存储、光学加密等领域具有重要的意义。
附图说明
20.为了更清楚地理解本发明的结构和实施例，下面将对所需要的附图进行说明，以下附图仅代表本发明的某些实施例。
21.图1示意性示出了根据本公开实施例中复合非线性超表面的单元结构三维结构示
意图；
22.图2示意性示出了根据本公开实施例中复合非线性超表面的单元结构俯视结构示意图；
23.图3示意性示出了根据本公开实施例中设计的复合非线性超表面在左旋圆偏振基波照射时，不同旋转角度情况下随着内弧所对应半圆心角改变时的单元结构仿真结果，其中(a)为二次谐波的归一化强度仿真结果，(b)为二次谐波的相位仿真结果；
24.图4a、图4b、图4c、图4d示意性示出了根据本公开实施例中基于符合非线性超表面设计的偏折器结构示意图和仿真结果，其中图4a为偏折器结构示意图，图4b为左、右旋圆偏振基波(lcp、rcp)入射时y-z平面二次谐波的电场分布，图4c、图4d分别为对应的二次谐波的远场强度分布。
25.其中，图中所标附图标记的含义为：
26.1为衬底层，2为非线性介质层，3为超表面结构层，4为y形结构，5为圆弧结构。
具体实施方式
27.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
28.本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
29.为了使本发明的内容易于理解，下面将结合附图和具体实施例进行详细的说明，所列举的实施例仅为本发明的部分实施例，在不背离本发明的情况下还可以有其他组合方式。
30.以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
31.图1示意性示出了根据本公开实施例中复合非线性超表面的单元结构三维结构示意图，图2示意性示出了根据本公开实施例中复合非线性超表面的单元结构俯视结构示意图。
32.本发明的实施例提供了一种复合非线性超表面，参见图1，自下而上包括：衬底层1、非线性介质层2和超表面结构层3。其中，下层的衬底层1作为支撑，中间的非线性介质层2用于发生频率转换，上层包括金属超构原子的超表面结构层3用于调控光场。
33.超表面结构层3包括多个呈周期性排列的金属超构原子，参见图2，金属超构原子具有三重旋转对称性，包括y形结构4和分别与y形结构4的三条臂端部连接的三段圆弧结构5；圆弧结构5具有内弧和外弧，并且外弧所对应半圆心角与内弧所对应半圆心角之间具有预设的角度差。
34.其中，超表面结构层3的多个金属超构原子具有相同或不同的面内旋转角以引入自旋相关的非线性几何相位调控，该多个金属超构原子中的圆弧结构具有相同或不同的内弧所对应半圆心角以引入自旋无关的传输相位调控，上述非线性超表面能够在圆偏振态基波的泵浦下实现二次谐波左右旋相位的独立调控。
35.具体地，本发明通过旋转金属超构原子或改变金属超构原子的面内旋转角以调控自旋相关的非线性几何相位，同时改变金属超构原子中圆弧结构的内弧所对应半圆心角以
调控自旋无关的传输相位。由于等离激元共振效应，圆弧结构尖端处基波电场的z分量得到大大增强，并对二次谐波产生起主要贡献。当改变圆弧结构的内弧或外弧所对应半圆心角时，虽然圆弧结构的尖端所在位置发生了旋转，但是金属超构原子的圆弧尖端仍然保持原有形状，从而基波电场增强的位置发生明显改变，而增强幅度变化不明显。因此，当改变金属超构原子的圆弧结构中内弧或外弧所对应半圆心角时，主要引起二次谐波相位的改变，而强度变化不明显，进而可以实现非线性几何相位和传输相位的协同调控。通过优化传输相位的覆盖范围，可以通过单个金属超构原子实现二次谐波左右旋相位的独立调控。此外，由于电场共振增强位置随圆弧结构的内弧对应圆心角连续变化，因此传输相位可连续调控。
36.其中，设整个超表面对应x-y坐标系，金属超构原子的面内旋转角θ为y形结构4的一条臂与y轴的夹角；圆弧结构5的外弧或内弧所对应半圆心角是指外弧或内弧尖端与y形结构4中所对应臂的夹角。
37.由于圆弧结构5的外弧所对应半圆心角与内弧所对应半圆心角之间需具有预设的角度差以保持尖端形状不变，因此当调整圆弧结构的内弧所对应半圆心角时，外弧所对应半圆心角也相应变化。当然也可以调整圆弧结构5的外弧所对应半圆心角，此时半内弧所对应圆心角也相应变化。
38.如图1、图2所示，该复合非线性超表面的衬底层厚度为d，非线性介质层厚度为t，超表面结构层3中金属超构原子的厚度为h，其中圆弧结构5的内、外弧所对应半圆心角分别为α1、α2，预设角度差值为δα，圆弧结构的弧宽为w1，y形结构4的臂长为l、臂宽为w2；金属超构原子的周期为p。
39.结合上述结构，首先说明本发明实现相位调控的原理，具体如下：
40.本发明通过结合非线性几何相位和传输相位实现对非线性二次谐波左、右旋圆偏振态相位的独立调控。
41.首先，对于具有三重旋转对称性的金属超构原子，通过改变其面内旋转角θ能够引入非线性几何相位的调控，产生的与基波相反圆偏振态的二次谐波携带的几何相位为3σθ，σ＝
±
1表示入射圆偏振态基波的左、右旋圆偏振态。
42.其次，通过改变金属超构原子的内弧所对应半圆心角α1或外弧所对应半圆心角α2可以引入传输相位此外，由于结构非手性，左、右旋圆偏振光照射超表面时产生的二次谐波的强度和传输相位相同。因此，在左右旋圆偏振基波照射下，产生的正交圆偏振二次谐波所受到的调控相位分别为：
[0043][0044]
由上式可见，当传输相位覆盖0～π时，二次谐波的左右旋相位可以独立调控。在设计非线性光子器件时，根据二次谐波的目标相位φ
l-r
、φ
r-l
(其取值范围为0～2π)可以计算出所需传输相位以及金属超构原子的面内旋转角θ，其中，φ
l-r
为左旋圆偏振基波入射产生的右旋圆偏振二次谐波的相位，φ
r-l
为右旋圆偏振基波入射产生的左旋圆偏振二次谐波的相位：
[0045][0046]
其中，m＝0或1。当φ
l-r
+φ
r-l
小于2π时，m取0；当φ
l-r
+φ
r-l
大于2π时，m取1，以使得传输相位在设计的取值范围0～π内。m＝1时，相当于将目标相位φ
l-r
替换为φ
l-r-2π，其中2π的引入不会影响目标光场的调制效果。
[0047]
其中，金属超构原子呈周期性排列可以包括采用六角晶格形式排列，结构周期为p且p《λ0/2，其中，λ0为圆偏振态基波的波长，一般位于近红外或中红外波段。
[0048]
根据本发明，金属超构原子的圆弧结构中外弧所对应半圆心角α2与内弧所对应半圆心角α1之间预设的角度差δα的取值范围为0≤δα＜π/9；金属超构原子的圆弧结构中所述内弧所对应半圆心角α1的取值范围为0＜α1＜π/3-δα；所述金属超构原子的圆弧结构中所述外弧所对应半圆心角为α2的取值范围为δα＜α2＜π/3。
[0049]
进一步地，金属超构原子的面内旋转角θ的取值范围为0≤θ≤2π，其中，设整个超构表面对应x-y坐标系，金属超构原子对应u-v坐标系，两坐标系的夹角即为θ。并且，金属超构原子的圆弧结构宽度w1＜p/4，y形结构臂长l＜p/4，臂宽w2＜p/4。此外，超表面结构层的厚度h的取值范围为30nm≤h＜1s0nm，非线性介质层的厚度t的取值范围为15nm≤t≤30nm，衬底层的厚度d的取值范围为0.5mm≤d≤2mm，可以根据实际加工需求调整。其中，各参数是基于效率优化、减小耦合及便于加工的标准取值。
[0050]
在上述实施例的基础上，超表面结构层3中金属超构原子的材料可以包括金、银和铝中的一种，非线性介质层2的材料可以包括氧化铟锡、多量子阱和铌酸锂中的一种，其具有较大的非线性系数，以实现高频率转换效率，衬底层1的材料可以包括硅、二氧化硅和蓝宝石中的一种。
[0051]
本发明提供的基于复合非线性超表面的二次谐波左右旋相位独立调控方法，则是采用上述的复合非线性超表面进行二次谐波左右旋相位的独立调控。
[0052]
具体地，通过改变所表面结构层中金属超构原子的面内旋转角进行非线性几何相位的调控并通过改变金属超构原子中圆弧结构的内弧所对应圆心角进行传输相位的调控，进而在圆偏振态基波的泵浦下基于上述复合非线性超表面实现二次谐波左右旋相位的独立调控。
[0053]
本发明打破了光子非线性自旋-轨道相互作用对称性，实现了二次谐波左右旋圆偏振分量相位的独立连续调控，能够有效解决非线性超表面调控维度受限的问题，对非线性光学系统具有重要的意义。
[0054]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进行进一步解释。
[0055]
不失一般性，本实施例的超表面结构层中金属超构原子的材料选择为金，其介电常数可以从palik光学手册中获得；非线性介质层的材料选择为ito，其介电常数取自实验测试数据结果，最大二阶非线性系数矩阵元为d
33
＝0.18pm/v；衬底层的材料选择为sio2，其介电常数可以从palik光学手册中获得。
[0056]
采用comsol软件对单元结构进行仿真优化，泵浦的圆偏振态基波波长λ0＝1400nm，优化后的单元结构参数为p＝640nm，h＝30nm，t＝23nm，d＝500um，w1＝60nm，l＝
190nm，w2＝70nm，δα＝10
°
，α1＝α
2-δα＝15
°
～47
°
。
[0057]
以左旋圆偏振光照射超表面时，改变三重旋转对称性的金属超构原子的面内旋转角θ与圆弧结构的内弧所对应半圆心角α1所得到的二次谐波的归一化强度和相位分布如图3所示。
[0058]
如图3的图(a)和图(b)可以看见，对于不同的面内旋转角θ，当金属超构原子中圆弧结构的内弧所对应半圆心角α1在15
°
～47
°
变化时，非线性几何相位的变化范围大于180
°
，可以实现二次谐波左右旋相位的完全独立调控。此外，传输相位与内弧所对应半圆心角α1近似满足线性关系，通过拟合得到根据拟合公式可以计算出所需传输相位对应的超构原子的半圆心角。
[0059]
接下来设计了一个非线性超表面倍频偏折器件来检验相位调控效果。
[0060]
偏折器结构的俯视图如图4a所示，金属超构原子按照六角晶格排列，每列金属超构原子具有相同的面内旋转角θ和圆弧结构的内弧所对应半圆心角α1。相邻两列金属超构原子的水平间距为其中p为金属超构原子的结构周期。
[0061]
设定偏折器相邻两列金属超构原子引起的左旋和右旋二次谐波相位差分别为：根据广义斯涅耳定律计算对应产生的二次谐波理论偏折角分别为：和
[0062]
以一束圆偏振的平面波从本实施例的复合非线性超表面结构下方照射到非线性超表面上，产生的正交圆偏振二次谐波将发生偏折。以lcp、rcp分别入射，通过comsol全模仿真得到的二次谐波归一化电场如图4b所示，可以看出光以不同角度发生偏转。如图4c和图4d所示，对电场做傅里叶变换，得到右旋和左旋二次谐波的远场偏折角分别为3.6
°
和7.3
°
，与以上理论计算结果一致。不同于纯非线性几何相位超表面产生的左右旋倍频光偏折角相反情况，本实施例的结果表明本发明能够实现二次谐波左右旋相位的独立调控。
[0063]
综上所述，本发明的复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法提高了非线性谐波的调控维度，有助于实现多通道非线性全息、多维光学数据存储和复杂矢量光场产生，对非线性超表面中光场的调控具有重要的意义。
[0064]
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0065]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。