一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器
阅读说明：本技术 一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器 (Polarization-independent infrared achromatic polarization deflector based on all-dielectric super-surface ) 是由 徐挺 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器,其特征在于：所述红外消色差偏折器采用n个结构单元排列得到,n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。本发现公布的偏振无关的红外消色差偏折器厚度薄(波长量级),易于集成,有望用在红外隐身等领域。(The invention discloses an infrared achromatic deflector based on polarization independence of an all-dielectric super surface, which is characterized in that: the infrared achromatic deflection device is obtained by arranging n structural units, wherein n is more than 1; the structure unit comprises a substrate and a micro-nano structure arranged on the substrate. The polarization-independent infrared achromatic polarization deflector disclosed by the discovery is thin in thickness (wavelength magnitude), easy to integrate and expected to be used in the fields of infrared stealth and the like.)
技术领域
本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器。
背景技术
光学元件在日常生活中的各个方面有着重要的应用，例如有聚焦光能力的透镜可以用在成像等方面；有产生和检查偏振光能力的偏振片可以用在摄影等方面。然而，传统光学元件的较大体积和较厚的厚度限制了其向紧凑小型化光学装置的集成。
近年，超表面的出现提供了一系列平面、超薄和轻型的可替代光学元件。超表面是由许多亚波长人工原子按照特定功能需要而排列构建成的一种二维平面结构，是利用交界面上的相位变化来对波进行调控。由于其能对相位、偏振及振幅等进行有效控制，超表面已经被广泛应用于透镜、波片、偏折器等光学元件。
在各种各样的光学元件中，光束偏折器是一种最基本的光学元件。它能控制光束的传播方向，在传感、光通信等领域有着重要的应用。近年来，基于超表面的偏折器得到了广泛研究，例如，2015年，Xiaoqiang Su等人实现了电调的太赫兹频段的超表面偏折器；2016年，Ai-Qun Liu等人通过气压控制系统，实现了10.5GHZ、12GHZ和14GHZ三个频率的消色差偏折；2017年，Ting Xu等人利用二氧化硅基底和二氧化钛微柱实现了可见光波段(450nm、532nm和633nm)的超表面偏折器；2018年，Xudong Cui等人也实现了532nm的超表面偏折器；2019年，Xiangang Luo等人利用相变材料，基于MIM结构，实现了10.6um入射波的散色角在±60°内连续可调；同年，Sang-Eun Mun等人利用法诺共振超表面实现了波长选择的偏折器；Yuan Hsing Fu等人实现940nm的大面积像素化的超表面偏折器。
综上所述，尽管目前已有大量关于超表面偏折器的相关研究，但是在红外波段，偏振无关的消色差超表面偏折器是缺乏的。
发明内容
：本发明的目的是是针对现有技术的缺陷，提供一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案如下：一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器，其特征在于：所述红外消色差偏折器采用n个结构单元排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。
进一步的，红外消色差偏折器为一维结构或二维结构。
进一步的，结构单元的排列按照特定参考相位及相位对频率的偏导，结构单元的排列需要同时满足以下要求：
(1)超表面上的参考相位应满足式1分布：
其中，α为入射角，θ为出射波偏折角度，；λ0为参考波长；
(2)相位对频率ω的偏导需满足式2关系：
其中，c、α、θ和x分别为光速、入射角、出射波偏折角以及一维的空间位置坐标。
进一步的，微纳结构的横截面为中心对称或各项异性的图形。
进一步的，微纳结构的数量为1到3个。
进一步的，基底和微纳结构采用对红外波段具有低损耗、高透过率的介质材料，所述介质材料为氟化钡、氟化钙、硅、锗或红外硫系玻璃，基底和微纳结构可采用相同或不同的介质材料。
进一步的，结构单元基底是周期性的，基底的周期p小于或等于红外光波波长。
进一步的，微纳结构高度与长(或宽)的比值小于7：1。
首先，对一维超表面偏折器进行研究。在一维超表面结构中，当工作波段(λmin～λmax)的入射角为α时，若出射光要实现θ角偏折，则其参考相位及相位对频率的偏导分别需满足以下关系：
其中，λ0、x、c分别表示参考波长、一维空间坐标和光速；在式(1)和式(2)中，等号右边第一个式子前面的正负号分别对应着图1中的4和3两种情况的出射光，第二个式子前面的正负号分别对应着2和1两种情况的入射波。
根据工作波段，基底和其上的微纳结构采用低损耗、高透过率的介质材料，如，氟化钡、氟化钙、锗、红外硫系玻璃等。
要实现超表面对入射波的偏振无关特性，微纳结构平行于基底的截面通常为中心对称的图形，如：圆形、方形等；此外，也可以为长方形等。
确定结构单元的周期P和微纳结构的高度H。若考虑后续加工方便，微纳结构最好采用低的深宽比，如，小于等于7:1。
利用仿真软件(如FDTD)仿真得到满足特定参考相位和相位对频率偏导的一些列结构单元，然后排列构成一维超表面偏折器。将上述的一维超表面结构在其垂直方向上进行重复性的排列，构成二维超表面偏折器。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了超薄(波长量级)的消色差偏折器件，与传统的偏折器相比，有利于与集成光学系统相结合。
(2)本发明公开的超表面偏折器可以在空间上周期性的重复排列，突破了基于超表面的消色差器件的尺寸限制。
(3)本发明的超表面偏折器可以运用到红外隐身方面，特别是在大气窗口波段，此波段偏振无关的消色差偏折器可以使得人体或者物体辐射的电磁波同时向同一个方向射出，减小被探测到的几率，从而达到红外隐身的目的。
附图说明
图1是本发明超表面偏折器在同一入射角下的两种不同入射情况和同一出射角下的两种不同出射情况。
图2是实施例超表面消色差偏折器的示意图，正入射的不同波长的波(λmin～λmax)沿同一角度出射。
图3是实施例1中，三种不同类型的结构单元的立体图，其中P＝8μm,H＝10μm，基底和柱体材料都为硅。
图4是实施例1三种不同类型结构单元的立体图。
图5是实施例1一维偏振无关的消色差超表面偏折器的立体图。
图6是实施例1中，当入射波为左旋圆偏振波时，对一维偏振无关的消色差超表面偏折器进行仿真得到的出射波的相位分布。
图7是实施例1中，当入射波为右旋圆偏振波时，对一维偏振无关的消色差超表面偏折器进行仿真得到的出射波的相位分布。
图8是实施例2二维偏振无关的消色差超表面偏折器的俯视图。
图9是实施例2二维偏振无关的消色差超表面偏折器的斜视图。
具体实施方式
：
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器，红外消色差偏折器采用n个结构单元排列得到，n＞1。结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。
选择需要实现偏振无关的消色差偏折(如图2所示)的工作波段、参考波长λ0、入射角α、偏折角θ，在本实施例中。它们分别为：9.5μm～11μm、11μm、0°和10°。
实施例1
在一维超表面结构中，若要实现上述偏折效果，则参考相位及相位对频率的偏导需满足以下关系：
其中，x和c分别表示坐标和光速，θ＝10°，λ0＝11um。
选择材料和微纳结构形状。本实施例中，基底和微纳结构都采用硅材料。若要实现偏振无关特性，微纳结构平行于基底的截面通常为圆形、方形等中心对称图形。在本实施例中，我们采用截面是长方形的微柱来实现对入射波的偏振无关特性。图3和图4是本实施例中用到的三种不同类型结构单元的立体图和俯视图。
结构单元的仿真。较小的微纳结构深宽比有利于后续的加工制备，鉴于此，本实施例深宽比小于7:1。此外，结构单元周期P和微纳结构的高度H分别固定为8μm和10μm。利用FDTD仿真不同微纳结构尺寸的结构单元，其中，结构单元的x、y和z方向上的边界条件分别设置为Periodic、Periodic和PML，得到符合理论计算给出的特定参考相位和相位对频率偏导的一系列结构单元。值得注意的是，由于基于超表面的光学元器件有很好的容错性，允许仿真得到的结构单元的参考相位和相位对频率的偏导有些许偏差。
一维超表面偏折器的仿真。将上述得到的符合要求的微纳结构排列成一维超表面偏折器，并利用FDTD对其偏折效果进行仿真，其中，x、y和z方向上的边界条件分别设置为PML、Periodic和PML。图5为本实施例中一维超表面偏折器的斜视图，图6和图7分别为左旋圆偏振波和右旋圆偏振波入射时，出射波的相位分布。由于任何偏振态都可以由两个交叉偏振态(如，左旋圆偏振和右旋圆偏振)叠加而成，因此本实施例中的一维超表面偏折器对任何偏振态(如，线偏振)都适用。
实施例2
设计二维超表面偏折器。将上述一维超表面偏折器沿着其垂直方向上(即：y方向)重复排列，构成二维超表面偏折器，如图8和图9所示。此外，也可以沿着x方向上周期性排列，得到大尺寸的偏振无关的消色差超表面偏折器。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。