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一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件

一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件
(一)技术领域
1.本发明涉及超材料及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于耦合效应的波前控制的超表面器件，可用于光调制、偏转器、聚焦透镜、旋光仪、全息成像等平面超薄器件的设计，属于微纳光学技术领域。
(二)

背景技术：

2.传统的光学器件主要由天然材料组成，其性能通常受到材料本身性质以及体积大的限制，不适合应用于集成器件。相比之下，由二维人工亚波长超材料设计的结构具有独特的电磁特性，可用于设计电磁空间和高效灵活地控制电磁波。目前通过超材料的巧妙设计，已经设计了许多平面超薄器件，例如反常偏转器、聚焦透镜、特殊光束发生器、旋光仪、隐身斗篷等，挑战了我们对天然材料电磁相应的认知极限。由于超表面结构的共振效应，它可以突然和局部地调整电磁波的振幅、相位和偏振，可以几乎实现任意的波前调控。然而为了实现上述功能，通常需要经过大量的试验，设计一组具有不同形状或不同几何参数的结构与期望值进行匹配。这些结构可以在特定频率范围内同时控制输出电磁波的振幅和相位，在控制电磁波振幅的同时，相位覆盖整个2π范围。几何相位法可以避免设计不同的形状和几何参数的情况，只通过旋转单元结构就可以达到相位覆盖范围为2π的目的，但它只适用于圆极化入射，并且不能同时控制电磁波的振幅，具有一定的局限性。
3.在超表面中，结构之间的耦合效应能够强烈改变原有共振系统的本征态，使得能量在结构之间重新分配，从而带来独特的光学响应。结构之间的耦合效应促进了许多有趣的物理现象，例如电磁诱导透明、fano共振、连续谱中束缚态等，这些现象已被广泛应用于光调制、传感、微波工程、非线性光学和纳米光子学等。然而，到目前为止，结构之间的耦合效应在波前控制中的应用还很少，这可能是由于大多数耦合效应应用于单层金属超表面，而且为了实现相位可以覆盖整个2π范围以控制电磁波的波前，需要观察交叉极化方向的透射电磁波，效率很低。
4.单层金属结构的超表面控制电磁波的效率较低，而金属-绝缘体-金属型超表面能够以高效灵活的方式操纵光的传播，这种结构使得它在偏振控制、完美吸收、电编码、聚焦和表面等离子体激元等应用中表现出独特的性质。据分析报告，通过简单控制谐振器的固有损耗和辐射损耗，可以完全按需定制金属-绝缘体-金属型超表面的功能。然而，这两个参数与结构的几何形状和材料特性直接相关，因此在波前控制应用中，需要设计不同的结构或者改变结构参数来实现所需的光学响应，这主要是因为以前的工作中只考虑了单个结构的本征共振模式。
5.为了减少大量仿真计算和为了实现波前调控而设计不同结构所耗费的时间，一个有效的方法是在结构中引入耦合效应，在一个单元结构中增加谐振器的个数，利用谐振器之间的耦合来实现对电磁波的调控，这也可以表现出更有趣的物理机制。本发明公开了一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，可用于光调制、传感、偏转器、聚焦透镜、旋光仪、全息成像等领域。与之前的技术相比，本发明通过改变两个结构相同的c形环金属谐振
器的旋转角度来调节耦合效应，无需改变金属结构的参数就可以有效设计在工作频率范围的反射振幅和相位，提供了按需控制电磁波振幅和相位的能力。
(三)

技术实现要素：

6.本发明的目的是这样实现的：
7.该器件主要由连续的金属层面2、介电隔离层3、两个c形环金属谐振器4和5。本发明使用金属铝作为金属层面2和c形环金属谐振器4、5的材料，使用柔性材料作为介电隔离层3的材料。
8.两个c形环金属谐振器4和5的结构完全相同，可以围绕自身的结构中心旋转任意角度，两个金属谐振器的中心在同一条垂直线上。
9.所述介电隔离层的厚度为10-100μm。
10.所述的金属层面和两个c形环金属谐振器的厚度相同，均为0.1-10μm。
11.两个c形环金属谐振器旋转不同的角度就会产生不同的耦合效应，在共振频率点附近的反射幅值、相位分布不同。可以根据所需的振幅、相位来排列由两个c形环金属谐振器旋转不同的角度得到的结构单元。
12.下面将详细阐述基于耦合效应的波前控制的超表面器件的工作原理。当两个c形环金属谐振器距离较近时，随着电磁波入射到金属表面，两个c形环金属谐振器之间会产生耦合效应，改变金属结构自身的光学特征。在不改变谐振器的结构尺寸的前提下，通过改变两个c形环金属谐振器的旋转角度来调节耦合效应，其同极化和交叉极化方向的平面波的反射振幅和相位可以在耦合变化时均可以得到很好的控制，同极化方向和交叉极化方向的平面波振幅可在0-0.8范围内连续进行调节的同时，相位可以在-π～π范围内进行连续调控。其中两个c形环金属谐振器的结构完全相同，可以围绕各自的中心旋转任意角度。
13.一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件使用cst mphysics studio进行电磁仿真，得到在两个c形环金属谐振器任意旋转角度下，同极化和交叉极化方向的平面波的反射幅值和相位分布。在不改变两个c形环金属谐振器结构参数的情况下，仅通过改变其旋转角度来调节耦合效应，可以实现相位在-π～π范围内连续调控的同时，同极化方向和交叉极化方向振幅在0-0.8之间进行连续调控。
(四)附图说明
14.为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
15.图1是一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件的俯视图。
16.图2是一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件单元结构的侧视图。
17.图3是通过改变两个c形环金属谐振器的旋转角度来改变耦合强度，以平面波在y偏振方向入射下为例，π/4为相位梯度，选取的同极化方向下反射幅值和相位的分布图。
18.图4是通过改变两个c形环金属谐振器的旋转角度来改变耦合强度，以平面波在y偏振方向入射下为例，π/4为梯度相位，选取的交叉极化方向下反射幅值和相位的分布图。
(五)具体实施方式
19.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
20.结合附图举例具体如下：
21.结合图1和图2，本发明实施方式主要是通过传统光刻和金属蒸发方法加工，其主要由若干个单元结构1周期排列构成，每个单元结构1包括连续的金属层面2、介电隔离层3、两个c形环金属谐振器4和5。本发明使用金属铝作为金属层面2和c形环金属谐振器4、5的材料，使用柔性材料作为介电隔离层3的材料。
22.所述超表面单元结构1在xy平面上排列组成整个超表面器件，如图1所示。
23.在一种实施中，使用聚四氟乙烯作为介电隔离层3的材料，其介电常数为ε＝1.96。保持两个c形环金属谐振器的结构参数不变，通过改变两个c形环金属谐振器的旋转角度来调节耦合效应，在线性偏振(x偏振或y偏振)入射下，使得在某个特定的频率点实现相位在-π～π范围内连续调控的同时，反射振幅在同极化方向和交叉极化方向实现0-0.8的连续调控，其中两个c形环金属谐振器可以旋转任意角度。
24.改变单元结构1中两个c形环金属谐振器的旋转角度，利用仿真软件对其进行仿真，入射y偏振方向的平面波，选择了在某个特定频率下以π/4为相位梯度，同极化反射振幅分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8的8个单元结构，其相位振幅分布如图3所示。
25.改变单元结构1中两个c形环金属谐振器的旋转角度，利用仿真软件对其进行仿真，入射y偏振方向的平面波，选择了在某个特定频率下以π/4为相位梯度，交叉极化反射振幅分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8的8个单元结构，其相位振幅分布如图4所示。
26.将所选择的这些单元结构按照一定的顺序进行排列，就可以制作衍射光栅、超透镜、生成全息图等超表面器件。

技术特征：

1.一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件。其特征是：所述的基于耦合效应的波前调控的超表面器件主要由若干个单元结构1周期排列构成，每个单元结构1包括连续的金属层面2、介电隔离层3、两个c形环金属谐振器4和5；本发明通过改变两个结构相同的c形环金属谐振器的旋转角度来调节耦合效应，无需改变金属结构的参数就可以有效设计在工作频率范围的反射振幅和相位，提供了按需控制电磁波振幅和相位的能力。2.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：两个c形环金属谐振器的中心在同一条垂直线上。3.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：所述的金属层面2和两个c形环金属谐振器4、5的材料为金、银、铝、铜中的一种，金属厚度为0.1-10μm。4.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：所述的介电隔离层为柔性材料，厚度为10-100μm。5.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：两个c形环金属谐振器的结构完全相同。6.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：所述的两个c形环金属谐振器可以围绕自身的结构中心旋转任意角度。7.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：通过改变两个c形环金属谐振器的旋转角度来调节耦合效应，可以有效地控制工作频率范围的反射振幅和相位，而无需改变谐振器的尺寸，丰富了超表面的设计自由度。8.根据权利要求1所述的一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件，其特征在于：可以实现对输出同极化、交叉极化方向的电磁波波前振幅、相位的同时调控。

技术总结

本发明提供的是一种基于耦合效应实现波前调控的超表面器件。其特征是：所述的波前控制的超表面器件主要由若干个单元结构1周期排列组成，每个单元结构1包括连续的金属层面2、介电隔离层3、两个C形环金属谐振器4和5。本发明使用金属铝作为金属层面2和C形环金属谐振器4、5的材料，使用柔性材料作为介电隔离层3的材料。本发明以两个C形环金属谐振器各自的中心点为旋转中心进行旋转，通过改变其旋转角度来调节耦合效应，最终实现对输出同极化、交叉极化方向的电磁波波前振幅和相位的同时调控。本发明仅改变两个C形环金属谐振器的旋转角度来调整耦合效应，无需改变谐振器的结构尺寸，进一步丰富了超表面的设计自由度。进一步丰富了超表面的设计自由度。进一步丰富了超表面的设计自由度。