具有用于大偏转角的高纵横比晶胞的光学超表面的制作方法

本公开涉及具有用于以大偏转角偏转光的纳米结构的光学超表面。

背景技术：

1、光学超表面是人们非常感兴趣的一个来源，因为它们具有操纵入射辐射的各个方面(例如，振幅、相位和偏振)以实现各种有用的功能(例如，波束控制、聚焦、偏振复用/解复用、光谱滤波等)的能力。超表面之所以有吸引力，是因为它们具有在重量更轻、更紧凑且更便宜的情况下执行通常通过传统光学元件(如透镜、偏振器和分束器)提供的功能的能力。然而，随着偏转角的增大，现有的基于超表面的光学器件的效率通常会下降到低于50％。在不希望受理论约束的情况下，高偏转角下的这种低效率可归因于大角度下发生的相位采样的减少以及相邻纳米结构之间的近场耦合和相互作用。因此，当前的光学超表面在某些应用中(例如，高数值孔径透镜、各种形式的光栅耦合器)替代传统光学元件的能力受到限制。

技术实现思路

1、本公开的第一方面包括一种光学超表面，该光学超表面包括：基板；以及多个纳米结构，该多个纳米结构从基板的表面延伸并且由具有折射率的材料构造。多个纳米结构布置在多个晶胞中。多个晶胞中的每一者包括：尺寸，该尺寸小于或等于入射在光学超表面上的光的有效波长的两倍除以光学超表面被设计为偏转光的偏转角的正弦；沿着光学超表面的偏转方向不对称的多个纳米结构中的一者或多者的纳米结构布置；以及晶胞纵横比，该晶胞纵横比由多个纳米结构中的一者或多者的高度除以多个纳米结构中的一者或多者的最小横截面尺寸来定义，其中晶胞纵横比大于或等于3，并且晶胞纵横比和材料的折射率的乘积大于或等于8。

2、本公开的第二方面包括根据第一方面的光学超表面，其中多个晶胞布置在覆盖基板的表面的面积的二维图案中。

3、本公开的第三方面包括根据第一至第二方面中任一项的光学超表面，其中晶胞纵横比大于或等于3。

4、本公开的第四方面包括根据第一至第三方面中任一项的光学超表面，其中晶胞纵横比大于或等于10。

5、本公开的第五方面包括根据第一至第四方面中任一项的光学超表面，其中材料的折射率大于或等于2。

6、本公开的第六方面包括根据第一至第五方面中任一项的光学超表面，其中多个晶胞中的每一者包括多个纳米结构中的单个纳米结构，单个纳米结构包括沿着偏转方向非对称的外围形状。

7、本公开的第七方面包括根据第一至第六方面中任一项的光学超表面，其中多个晶胞中的每一者的单个纳米结构包括第一部分和从第一部分延伸的第二部分，第一部分和第二部分包括不同柱结构的重叠部分。

8、本公开的第八方面包括根据第一至第七方面中任一项的光学超表面，其中多个晶胞中的每一者包括两个或更多个纳米结构。

9、本公开的第九方面包括根据第一至第八方面中任一项的光学超表面，其中多个晶胞中的每一者的两个或更多个纳米结构包括相同的横截面形状，但具有不同的横截面积。

10、本公开的第十方面包括根据第一至第九方面中任一项的光学超表面，其中多个晶胞中的每一者的两个或更多个纳米结构中的一者包括晶胞的两个或更多个纳米结构中的另一者的截头形式。

11、本公开的第十一方面包括根据第一至第十方面中任一项的光学超表面，其中光学超表面以相对于光信号在遇到偏转超表面之前的初始传播方向的大于或等于50°的偏转角沿偏转方向偏转在波长下的光信号。

12、本公开的第十二方面包括根据第一至第十一方面中任一项的光学超表面，其中光信号由光学超表面进行的偏转以大于或等于70％的绝对效率发生。

13、本公开的第十三方面包括根据第一至第十二方面中任一项的光学超表面，其中光信号由光学超表面进行的偏转以在整个40nm波长范围内的绝对效率发生。

14、本公开的第十四方面包括根据第一至第十三方面中任一项的光学超表面，其中40nm波长范围在可见光谱内。

15、本公开的第十五方面包括根据第一至第十四方面中任一项的光学超表面，其中光学超表面被并入包括透镜、光栅、镜面和轴棱镜中的至少一者的光学元件中。

16、本公开的第十六方面包括一种光学元件，该光学元件包括：基板；以及布置在表面上的二维周期性结构中的多个晶胞，二维周期性结构在第一方向和垂直于第一方向延伸的第二方向上具有小于或等于3μm的周期。多个晶胞中的每一者包括：一个或多个纳米结构，该一个或多个纳米结构包括折射率和非对称结构；以及晶胞纵横比，该晶胞纵横比由多个纳米结构中的一者或多者的长度除以多个纳米结构中的一者或多者的最小横截面尺寸来定义，其中晶胞纵横比大于或等于3，并且晶胞纵横比和折射率的乘积大于或等于8。

17、本公开的第十七方面包括根据第十六方面的光学元件，其中：多个晶胞中的每一者沿着基于晶胞的一个或多个纳米结构的结构和排列所确定的偏转方向以偏转角偏转光信号；并且与多个晶胞中的一者相关联的一个或多个纳米结构的非对称结构沿着晶胞的偏转方向非对称。

18、本公开的第十八方面包括根据第十六至第十七方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞具有沿表面空间变化的几何性质，以提供光信号的偏转角的分布。

19、本公开的第十九方面包括根据第十六至第十八方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞的一部分以大于或等于50°的偏转角偏转光信号。

20、本公开的第二十方面包括根据第十六至第十九方面中任一项的光学元件，其中光学元件是聚焦光信号的衍射透镜。

21、本公开的第二十一方面包括根据第十六至第二十方面中任一项的光学元件，其中光学元件是衍射光栅。

22、本公开的第二十二方面包括根据第十六至第二十一方面中任一项的光学元件，其中晶胞纵横比大于或等于3。

23、本公开的第二十三方面包括根据第十六至第二十二方面中任一项的光学元件，其中晶胞纵横比大于或等于10。

24、本公开的第二十四方面包括根据第十六至第二十三方面中任一项的光学元件，其中折射率大于或等于2。

25、本公开的第二十五方面包括根据第十六至第二十四方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞中的每一者包括多个纳米结构中的单个纳米结构，单个纳米结构包括沿着偏转方向非对称的外围形状。

26、本公开的第二十六方面包括根据第十六至第二十五方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞中的每一者的单个纳米结构包括第一部分和从第一部分延伸的第二部分，第一部分和第二部分包括不同柱结构的重叠部分。

27、本公开的第二十七方面包括根据第十六至第二十六方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞中的每一者包括：具有第一横截面形状的第一纳米结构；以及具有第二横截面形状的第二纳米结构，第一纳米结构与第二纳米结构以在偏转方向上延伸的间隙间隔开。

28、本公开的第二十八方面包括根据第十六至第二十七方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞中的每一者的第一和第二纳米结构包括相同的横截面形状，但具有不同的横截面积。

29、本公开的第二十九方面包括根据第十六至第二十八方面中任一项的光学元件，其中多个晶胞中的每一者的第二纳米结构包括第一纳米结构的截头形式。

30、本公开的第三十方面包括一种以偏转角散射光的方法，该方法包括：将光信号引导朝向包括多个纳米结构的光学超表面，多个纳米结构包括多个晶胞；以及使光信号散射离开多个晶胞中的晶胞，晶胞包括由晶胞的纳米结构的长度除以纳米结构的最小横截面尺寸来定义的晶胞纵横比。晶胞纵横比大于或等于3，以便产生多个高阶多极谐振，以在以大于或等于50°的偏转角延伸的偏离法线偏转方向上偏转光信号波长下的光。

31、本公开的第三十一方面包括根据第三十方面的方法，其中晶胞纵横比大于或等于10。

32、本公开的第三十二方面包括根据第三十至第三十一方面的方法，其中：晶胞的纳米结构可由具有折射率的材料构造；并且晶胞纵横比和折射率的乘积大于或等于8。

33、本公开的第三十三方面包括根据第三十至第三十二方面的方法，其中晶胞的纳米结构包括沿着偏离法线偏转方向的非对称形状。

34、本公开的第三十四方面包括根据第三十至第三十三方面的方法，其中多个晶胞中的晶胞包括多个纳米结构，多个纳米结构包括沿着偏离法线偏转方向的非对称结构。

35、本公开的第三十五方面包括根据第三十至第三十四方面的方法，其中晶胞的纳米结构在与光信号的波长不对应的波长下产生多个多极谐振。

36、本公开的第三十六方面包括根据第三十至第三十五方面的方法，其中在偏离法线偏转方向上偏转的光信号的光包括光信号的单个衍射级。

37、本公开的第三十七方面包括根据第三十至第三十六方面的方法，其中所偏转的光信号的光以大于或等于70％的绝对偏转效率在偏转方向上偏转。

38、应当理解的是，前述的大体描述和以下的详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概述或框架。将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。