一种基于超表面的近场表面波面内波前调控器件

本发明属于电磁超表面，具体涉及一种实现近场表面波面内传输波前调控的超表面器件。

背景技术：

1、表面波(surface waves,sws)，是一种存在于两种媒质(介质-金属等)界面的电磁波局域模式，包括在光频段的表面等离激元(surface plasmon polaritons,spps)和低频波段的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,sspps)。表面波具有亚波长分辨率和局部场增强的特性，被用于不同的片上光子学应用中，比如超分辨成像、传感、集成光子电路和非线性增强等。其中，自由地调控面内表面波是实现这些应用中的必要条件，也是许多前沿研究的关键目标。

2、目前的调控方式有两类：第一类是通过设计传统耦合器结构，把远场传输波耦合成片上的近场表面波同时实现表面波在面内传输的波前调控；第二类是通过设计衍射结构，直接调控片上器件传输的表面波。然而，在第一类调控方式中，需要外界传输波的照射来激发表面波，无法满足某些直接对表面波调控的应用场景。在第二类调控方式中，传统的调控方式是通过设计具有特殊几何形状或周期的微纳结构，利用表面波的传输光程差或者周期衍射效应实现表面波的波前调控，这类器件存在多模式、低效率、调控自由度有限等缺陷。

3、超表面(metasurface)，是由一系列精心设计的亚波长微结构按照某种方式排列的平面型人工电磁结构，目前已经被广泛应用于各类电磁波调控场景。本发明旨在利用电磁超表面，来实现直接对近场表面波的面内传输波前调控。相比于以往的表面波调控器件，本发明所提出的解决方案具有亚波长调控、单模式、高效率、高集成度等优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，以克服传统的表面波调控光子学器件在调控面内近场表面波过程中存在的大体积、非亚波长、多模式、低效率、低集成度等缺陷。

2、本发明设计的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，简称sw面内波前调控器件，可以把入射到超表面的表面波重新构建成为具有预设计目标波前分布的表面波。本发明通过设计超表面的相位分布，实现各种复杂的表面波波前分布的构建，比如单向偏折、聚焦、贝塞尔光束和艾里光束等。本发明基于面内波矢守恒的物理思想，通过人工超构单元(meta-atom)的几何设计，构造出具有特殊功能的pancharatnam-berry相位(pb相位，也称几何相位)梯度超表面，这种超表面能实现对近场表面波(包括表面等离激元、人工表面等离激元)在面内传输的波前重建，并转换成预先设计的波前分布。其结构原理参见图15所示。

3、首先，为了在表面波激发体系下实现任意的面内波前分布，本发明给出了相位分布φms(x,y)广义的设计。为了实现sw面内波前调控器件，需要设计合适的物理体系，并且结合数值仿真和实验进行验证。所述物理体系，即基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，由电磁几何相位超表面区域和表面波本征区域拼接组成；所述电磁几何相位超表面区域由一系列超表面原胞(也称人工超构单元)按照计算所需要的相位分布φms(x,y)旋转排列而成二维阵列区域；所述表面波本征区域由本征原胞按x、y方向周期延拓组成的二维阵列区域；其中，所述超表面原胞为金属微结构-介质薄膜-金属薄层的三层结构；所述本征原胞为超表面原胞中去掉上层的金属微结构后的结构，即为由介质薄膜、金属薄膜组成的双层结构；本征区域用于支持表面波无损耗传输；超表面原胞与本征原胞的尺寸相同，均为正方形；

4、所述超表面原胞具有二重旋转对称几何形状(即旋转180度后与原来形状重合),所述超表面原胞按相位分布φms(x,y)旋转排列,其旋转角度，是指具有二重旋转对称几何形状的金属微结构的左右对称轴与y方向的夹角；表面波沿着x轴传播，从表面波本征区域入射到电磁几何相位超表面区域。

5、本发明中，所述近场表面波包括：表面等离激元，人工表面等离激元。

6、具体地，本发明设计的超表面原胞(人工超构单元)的上层金属微结构几何要求满足二重对称性，典型的结构为类工字形(即上、下两端的对称的圆弧形)，参见图1所示。其几何参数：单元周期为p，圆弧环内径为r1，圆弧环外径为r2，线宽为w(＝r2-r1)，上下两端的圆弧环间对应的中心角(张角)为β，介质厚度为d，金属厚度为h。

7、所述超表面原胞中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层为完整的金属层。

8、本发明中，超表面区域的大小为m×n，m，n为超表面原胞数；m/n的数值优选一般在3-4之间。本征区域的大小为m×q，m,q为本征原胞数。可见，本征区域宽度与超表面区域宽度一致(x轴方向宽度一致)，即相互匹配连接。

9、表面波沿着x轴传播，从表面波本征区域入射到电磁几何相位超表面区域。

10、本发明中，tm模式的表面波包括：表面等离激元、人工表面等离激元；本发明中，通过预先设计不同的相位分布φms(x,y)，原则上可以在面内近场实现任意的波前重建。为了验证设计方案的广义性，本发明设计了两类不同的波前分布：偏折波前和聚焦波前。其中，偏折波前和聚焦波前通过数值仿真和实验测试的验证。

11、本发明中，首先，从数值仿真和微波实验上表征超表面原胞(人工超构单元)和本征结构的物理性质，包括：(1)人工超构单元的反射相位；(2)本征结构的表面波色散曲线；然后，基于人工超构单元和表面波本征元胞构建超表面-1和超表面-2。

12、接着，对表面波在入射到超表面后的近场传输行为这一物理过程进行数值模拟获得其电场分布。为了验证数值模拟的正确性，我们制作了样品，进行了实验验证。理论预测、数值模拟和实验三者吻合。

13、本发明设计的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，具有如下特点：

14、(1)相位设计的广义性，能够实现对tm模式的表面波在面内实现任意波重建；

15、(2)人工超构单元的设计的广义性，即结构只需要满足二重旋转对称性；

16、(3)本发明发明的中心工作频率为12ghz，可以推广到其他任意工作频率；

17、(4)相位梯度超表面能够保证面内单一传输模式调控，工作效率高。

技术特征：

1.一种基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，可把入射到超表面的表面波重新构建成为具有预设计目标波前分布的表面波；并通过设计超表面的相位分布，实现各种复杂的表面波波前分布的构建；具体由电磁几何相位超表面区域和表面波本征区域拼接组成；其中，所述电磁几何相位超表面区域是由一系列超表面原胞，也称人工超构单元，按照计算所需要的相位分布φms(x,y)旋转排列而成的二维阵列区域；所述表面波本征区域是由本征原胞按x、y方向周期延拓组成的二维阵列区域；其中，所述超表面原胞为金属微结构-介质薄膜-金属薄层的三层结构；所述本征原胞为超表面原胞中去掉上层的金属微结构后的结构，即为由介质薄膜、金属薄膜组成的双层结构；本征区域用于支持表面波无损耗传输；超表面原胞与本征原胞的尺寸相同，均为正方形；

2.根据权利要求1所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，所述超表面原胞的上层金属微结构几何要求满足二重对称性，具体结构为类工字形，其上、下两端的对称的圆弧，其几何参数：单元周期为p，圆弧环内径为r1，圆弧环外径为r2，线宽为w＝r2-r1，上、下两端的圆弧环间对应的中心角为β，介质厚度为d，金属厚度为h。

3.根据权利要求1或2所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，所述超表面原胞中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层为完整的金属层。

4.根据权利要求1或2所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，所述超表面区域的大小为m×n，m/n的数值在3-4之间；所述本征区域的大小为m×q，m,q为本征原胞数；本征区域宽度与超表面区域宽度一致，即相互匹配连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，在表面波激发的体系下实现近场表面波波前调控，则超表面的相位设计满足：

6.根据权利要求5所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，几何相位的具体计算：研究在全反体系里单元的旋转对圆偏入射光的相位调控，设单元结构周期拓展所组成的平面为xoy平面，与该平面垂直的方向为z轴，单元主轴分别是和假设入射的是左旋圆偏(lcp)模式：

8.根据权利要求7所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，基于人工超构单元和本征元胞构建的定向偏折波前调控超表面是由100×30个单元组成，尺寸为300×90mm2，工作频率是f＝12ghz，定向偏折角度是θ0＝90°；基于人工超构单元和本征元胞构建的聚焦波前调控超表面是80×25个单元组成，尺寸为240×75mm2，工作频率是f＝12ghz，焦距是f＝125mm；其中，表面波的传输波矢ksw＝1.07k0。

9.根据权利要求8所述的基于超表面的近场表面波面内波前调控器件，其特征在于，人工超构单元优化的几何参数为：p＝3mm，r1＝1.2mm，r2＝1.4mm，w＝0.2mm，β＝90°，d＝2mm，h＝0.1mm；其中介质层的介电常数为3。

技术总结
本发明属于电磁超表面技术领域，具体为一种基于超表面的近场表面波面内波前调控器件。本发明调控器件由几何相位超表面和表面波本征区域拼接组成。超表面区域由具有二重旋转对称人工超构单元组成，通过设计其几何尺寸和旋转方位角度，实现理论设计的辐射相位分布；本征区域是由介质薄膜和金属薄膜组成的双层结构；该器件中心工作频率为12GHz,具有宽频工作特性，并且可以推广到其他频段。当表面波从本征区域传输至超表面区域时，不同位置处的人工微结构作为次波源在近场面内重新构建出具有任意复杂波前分布的表面波，解决了传统器件在近场面内传输调控中存在的大体积、非亚波长、多模式、效率低等难题。

技术研发人员：孙树林,潘威康,王卓,何琼,周磊
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13