一種多光譜位相型超表面器件的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及超材料技術領域，特別涉及一種多光譜位相型超表面器件。
【背景技術】
[0002]現代電磁學中，對不同頻段電磁波實現獨立控制在無線通信、多光譜成像等應用 中至關重要。然而，材料色散的存在限制了傳統技術的發展，使得相應的器件和系統龐大、 笨重且性能受限。
[0003 ]作為二維超材料，超表面被證實可以實現電磁波振幅、相位和偏振態的全面調控， 使用超表面情況下的反射和折射定律，波前可以被任意調制。因此許多功能，如光束控制、 聚焦和成像等成為可能。由于超表面比超材料更薄、更易加工，因此業內認為第一代實用化 的超材料器件會使用這項技術。
[0004] 雖然超表面可以實現許多奇異的功能，但現在的設計還要受制于很多缺點。例如， 超表面通過相位變化可以對不同波長進行獨立響應，但由于強色散卻極大地限制了超表面 在寬帶和多光譜的應用。比如，傳統遠場成像過程中，分辨率受限于衍射極限，無法達到照 明光波長的一半，而受激輻射損耗(STED)顯微系統是實用化的突破衍射極限成像的方法之 一。STED顯微系統的基本原理是熒光分子的空間選擇鈍化作用，這項技術要使用兩種波長 的光束，分別產生不同的形狀的光斑。但傳統STED熒光掃描顯微鏡的光學系統很復雜，急需 使用一個光學元件產生兩種所需光斑的技術。然而，STED顯微系統中，傳統的超表面透鏡的 焦距與波長有關，這對多光譜成像帶來了不利影響。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的不足，提供一種多光譜位相型 超表面器件，該器件是由超薄金屬薄膜上的納米孔陣列組成。通過將多頻信息編碼到納米 孔陣列上，利用納米小孔的自旋-軌道相互作用實現頻率選擇控制。由于自旋軌道相互作用 具有寬波帶特性，因此本發明可在不同波長下實現給定形狀的光場分布。
[0006] 本發明解決其技術問題采用的技術方案是:一種多光譜位相型超表面器件，包括 自下而上依次排布的基底和由各向異性納米單元結構陣列構成的超表面，所述各向異性納 米結構是在超薄金屬或介質上刻蝕制成，也可直接制作在基底上，其特征尺寸小于波長，排 列間距小于半波長，所述的超薄金屬的厚度d取值范圍為:δ〈(1〈λ/3(λ為入射電磁波波長，δ 為金屬的趨膚深度
μ〇 = 4πΧ l(T7H/m，ω為圓頻率，σ〇為金屬的電導率）；所述超 薄介質厚度小于入射光波長。
[0007] 其中，所述的超表面為平面或曲面。
[0008] 其中，所述的各向異性納米結構包括:孔或其互補結構。
[0009] 其中，所述的各向異性納米結構幾何圖案包括:矩形、橢圓形、十字形、工字形或多 邊形。
[0010] 其中，所述的金屬包括:金、銀、銅、金合金、銀合金或銅合金等·。
[0011]其中，所述介質包括:硅、二氧化硅等半導體以及氟化物等在工作波段透明的材 料。
[0012] 其中，所述基底材料為硅、二氧化硅等半導體以及氟化物等在工作波段透明的材 料。
[0013] 其中，若所述納米單元結構制作在介質上，介質材料與基底材料可相同或不同。
[0014] 其中，所述的基底厚度0〈1ι〈λ，λ為入射電磁波波長。
[0015] 其中，所述基底表面為平面或曲面。
[0016] 其中，所述的多光譜位相型超表面器件的厚度t可小于波長。
[0017] 其中，所述的多光譜位相型超表面器件可將相同入射角度、不同波長的電磁波在 同一位置聚焦和成像。
[0018] 其中，所述的多光譜位相型超表面器件可將不同波長、不同角度入射的光波在同 一位置聚焦。
[0019] 其中，所述的多光譜位相型超表面器件適用于可見光和近紅外區域。
[0020] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于:本發明具有寬波帶特性，通過產生消色 差幾何相位的超表面來控制不同光波，可使不同波長，不同入射角度的電磁波實現任意形 狀的聚焦光斑。并且本發明結構簡單小巧，重量輕，利于加工。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發明的單元結構示意圖；
[0022]圖2為本發明在平面波正入射條件下，超表面引入的相位變化；
[0023]圖3為當不同波長的光正入射到超表面時，產生聚焦的示意圖；
[0024] 圖4為光束(λ2 = 532ηηι)在xoz和xoy平面(ζ = ΙΟμπι)的分布示意圖，其中，圖4(a)為 光束(λ2 = 532ηπι)在χοζ平面的分布示意圖，圖4(b)為光束(λ2 = 532ηπι)在xoy平面(ζ = ΙΟμπι) 的分布示意圖；
[0025] 圖5為光束(^ = 40511111)在xoz和xoy平面(ζ = ΙΟμπι)的分布示意圖，其中，圖5(a)為 光束(λι = 405ηπι)在xoz平面的分布示意圖，圖5(b)為光束(λχ?^δηπΟχογ平面(ζ = 10μπι)的 分布不意圖；
[0026] 圖6為本發明實施例1中截取了聚焦面X方向的強度分布曲線圖；
[0027] 圖7為本發明實施例1中樣品的掃描電鏡圖；
[0028]圖8為本發明實施例1中樣品在λ = 405ηπι左旋光入射條件下xoz平面的強度分布 圖；
[0029]圖9為本發明實施例1中樣品在λ = 532ηπι左旋光入射條件下xoz平面強度分布圖； [0030]圖10為本發明實施例2中樣品的掃描電鏡圖；
[0031]圖11為本發明實施例2中樣品在λ = 532,632.8和785nm入射條件下xoz平面強度的 數值計算結果與實驗結果對比圖，其中，圖11 (a)為樣品在λ = 532nm入射條件下，在xoz平面 強度的數值計算結果（左)與實驗結果(右)對比圖，圖11(b)為樣品在λ = 632.8ηπι入射條件 下，在xoz平面強度的數值計算結果（左）與實驗結果（右）對比圖，圖11(c)為樣品在λ = 785nm入射條件下，在xoz平面強度的數值計算結果(左)與實驗結果(右)對比圖；
[0032] 圖12為本發明實施例2中在ζ = 9μπι處波長為532nm、632.8nm和785nm的數值計算和 實驗測量得到的半高全寬對比圖，其中，圖12(a)為在ζ = 9μπι處波長為532nm、632.8nm和 785nm實驗測量得到的半高全寬圖，圖12(b)為在ζ = 9μπι處波長為532nm、632.8nm和785nm數 值計算得到的半高全寬圖；
[0033] 圖13為本發明實施例3中用利用多光譜超表面器件使不同波長、不同角度入射的 光波在同一位置聚焦的示意圖，其中，圖13(a)為波長為532nm，入射角為0°在xoz平面的光 強分布圖，圖13(b)為波長為632.8nm，入射角為30°在xoz平面的光強分布圖，圖13(c)為波 長為785nm，入射角為-30°在xoz平面的光強分布圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不 僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。而且本領域技術人員從以下的一個 實施例即可實現權利要求中的全部內容。
[0035] 具體實現過程如下：
[0036] 實施例1
[0037] 本發明實施例1以優選的橢圓納米孔單元結構為例，如圖1所示，該多光譜位相型 超表面器件，包括自下而上依次排列的基底1、超表面層2、以及刻蝕于超表面層中的納米孔 3。其中基底的厚度為h;超表面層的厚度為d;材料總厚度為t;所述納米孔結構的特征尺寸w (短軸)與1(長軸)不相等。根據此結構，下面將詳細闡述其設計原理。
[0038] 在圓偏振光CPL入射下，每個納米孔相當于一個偏振濾光片，因此，空間變化的孔 陣列會產生空間變化的偏振態。由于光子自旋軌道相互作用，偏振態變化和相位變化有關。 傳輸光會產生2〇α的相位延遲，其中σ = ±1表示圓偏振光的左旋或右旋狀態，α是孔主軸的 偏轉角。從公式可以看出，相位變化與入射光波長沒有關系。因此，本發明可以用于寬帶相 位調制。
[0039]為了實現多譜線光束控制，本發明借鑒了全息的概念，即各個角度的信息都可以 融合到一個二維平面內，將各個波長的信息編碼到一個超表面中去，如圖2所示，在平面波 正入射備件下，軺衷而引入的相仿奪化可以衷示為：
[0040]
[0041 ] 其中An和Φη分別表示第η個虛擬光源的振幅和相位，Εη為復振幅，λη表示相應的 波長。
[0042] 以需要兩種形