一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面

摘要

本发明提供了一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，包括具有三重(C

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控领域，具体地讲，是涉及一种在线性光学材料中产生的非线性几何位相梯度超表面。

背景技术

在线性光学系统中，入射的圆偏振光与各向异性的超构功能基元相互作用，透射或反射光中具有与入射光手性相反的圆偏振光，并携带了与超构功能基元旋转角度有关的几何相位，即Pancharatnam-Berry几何相位。P-B几何相位的主要优点是它不依赖于结构的尺寸、光学共振以及固有的材料色散，因此其在位相调控领域受到了广泛的关注与研究。通常，基于P-B相位的超表面选择矩形孔/柱、椭圆孔/柱等亚波长结构作为超构单元，通过旋转这些功能单元以产生Φ＝2σθ的相位差。这里，θ为超构单元的方位角，σ＝±1分别表示左旋或右旋圆偏振。

类比于线性光学系统里的几何相位，有人在超构表面上引入了非线性光学几何相位，并证明其能够连续地控制有效非线性极化率的相位。对于和基波圆偏振态旋向相同或相反的非线性谐波辐射，第n次非线性谐波对应的几何相位为(n+1)iσθ或(n+1)iσθ。非线性谐波几何相位的一个很大优点就是，具有m重旋转对称性的超构基元，当m≥3时其在线性光学中具有各向同性响应。因此，在调整超构基元的方位角进而控制某些谐波级次的非线性相位时，不会影响到基波的线性光学响应均匀性。

很明显，上述的非线性光学几何相位是针对产生的高阶谐波而言的，而对于线性光学系统，即对基波而言，在人们的认知中，是不存在非线性相位梯度的，这大大局限了几何位相在线性光学系统中的发展。

发明内容

本发明提出了一种在线性光学系统中，基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，通过设计三角形、Y字形、五边形等具有多重旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝，使得线性超表面中的基波携带非线性的几何相位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，包括一层具有三重(C₃)、五重(C₅)等高阶旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝，能够在线性光学超表面里获得非线性几何位相梯度。

其中，所述金属孔或狭缝的厚度为h，其取值范围为h<λ₀/4，λ₀为中心波长。

其中，所述金属孔或狭缝的周期p的取值范围为p<λ₀/2，λ₀为中心波长。

其中，所述金属层材料可以为金、铝等。

其中，所述超表面的透射交叉极化成分和反射交叉极化成分均具有此位相梯度。

其中，所述亚波长金属孔或狭缝具有三重、五重或更高奇数阶数的旋转对称性即可，不局限于正三角形、正五边形等形式。

其中，所述超表面位相梯度具有普适性，既适用于可见光波段，也适用于红外波段。

本发明具有的有益效果在于：

本发明打破传统几何位相超表面单元结构的选择定则，通过设计三角形、Y字形、五边形等具有多重旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝在线性光学超表面里获得了非线性几何位相梯度。这种位相梯度与传统的非线性相位不同，传统的非线性相位通常指高阶谐波(n≥2)所携带的相位，而这里产生的相位梯度来源于基波(n＝1)。本发明在线性超表面中实现了非线性的位相梯度，颠覆了人们对线性超表面中几何相位的认知，对线性光学系统中位相调制的原理和应用具有重大的意义。

附图说明

图1为本发明的几个单元结构示意图；

图2为单元结构旋转后的相位差随波长变化的仿真结果；

图3为实验中不同距离下CCD记录的远场衍射图样，其中图3(a)为Z＝0μm距离下CCD记录的远场衍射图样，图3(b)为Z＝20μm距离下CCD记录的远场衍射图样，图3(c)为Z＝40μm距离下CCD记录的远场衍射图样；

图4为记录的衍射强度在xz平面的分布情况。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

具体实现过程如下：

如图1所示，该位相梯度超表面包括一层亚波长金属孔或狭缝，孔或狭缝的厚度为h，周期为p。

结合上述结构，首先说明本发明实现相位调制的原理，如下：

在线性光学系统中，人们一直认为，圆偏光只有入射到各向异性的超构功能基元上，透射或反射光中具有与入射光手性相反的圆偏振光才会携带一种几何相位。这种相位只与超构基元的旋转角度有关，称为Pancharatnam-Berry几何相位，可以表示为Φ＝±2θ。而实际上，圆偏光入射到宏观上呈各向同性但具有奇数阶旋转对称性的超构单元上，透射或反射光中发生极化转换的成分依然携带有几何相位。这种相位可以表示为Φ＝±2mθ，其中m为单元结构旋转对称性的阶数。可以发现，P-B相位只是针对m＝1时的情况。而对于所提到的三角形、Y字形孔或狭缝等C₃结构，将产生Φ＝±6θ的位相梯度，对于五边形孔等C₅结构，将产生Φ＝±10θ的位相梯度。

为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。

实施例1

不失一般性，这里选择具有三重旋转对称性(C₃)的正三角形孔为例来进行说明，金属层材料选择为金，介电常数从Palik光学手册中获得。采用CST软件对该结构进行仿真优化，仿真波段为600-750nm，优化后的单元结构参数为p＝300nm，h＝120nm，三角形边长d＝150nm。

通过旋转单元结构所产生的的相位差如图2所示。可以看见，在整个600-750nm波段，单元结构每旋转10°，均产生较为稳定的60°的相位差，满足Φ＝±6θ的关系。

接下来，设计了一个具有光束偏折效果的全模来进行检验这种位相梯度。将旋转的单元结构沿x轴方向排列，一束左旋圆偏振的平面波从结构下方入射到超表面上，透射光中的右旋成分将发生偏折，偏折角为这里，λ表示入射波长，P表示超表面的周期，满足P＝np，其中p为单元结构的周期，n表示位相梯度的阶数。通过全模仿真得到在λ＝632.8nm处的偏折角度为20.5°，与理论公式计算结果一致。

为了从实验上观察到这种偏折现象进而证实这种位相梯度，使用FIB加工了样品并进行了测试。将一束准直的632.8nm圆偏振激光沿z轴方向垂直通过样品，使用CCD记录不同距离下透射光的远场衍射图样。图3所示为Z＝0，Z＝20μm，Z＝40μm时记录的结果，可以看见明显的图案移动。为了更准确的表征光束的偏折效果，每隔1μm记录了xy平面的衍射图样，最后截取xz剖面作图，如图4所示。可以看见，衍射图案出现了偏折，测得的偏折角接近为20.5°，与理论和仿真结果一致。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。