基于超表面的一阶二阶复用光场微分器件及其设计方法

摘要

本发明公开了一种基于超表面的一阶二阶复用光场微分器件及其设计方法。超表面由基底，介质层及排布在介质层上的纳米砖组成。每个纳米砖的大小相同，转角各异。当一束线偏振光依次通过起偏器、超表面以及检偏器时，出射光的强度会受到调制。通过转动检偏器和起偏器，巧妙的构建出射光的强度函数，可以实现空域一阶微分和二阶微分的功能转换。两种功能相互独立，互不影响。本发明具有体积小、质量轻、可批量生产等优点，可广泛应用于光学图像处理、生物成像、自动驾驶等方面。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳光学及其光学信息处理领域，具体涉及一种基于超表面的一阶二阶复用光场微分器件及其设计方法。

技术背景

作为一种重要的信息载体，光被广泛应用于信息处理领域，光计算一般分为数字计算和模拟计算两种。模拟计算是基于光在传播过程中或者与物质的相互作用过程中振幅以及相位变化。与数字计算相比，模拟计算具有计算速度快、能耗低、并行运算能力强等优势。超表面是一种人造亚波长材料，它可以对光波进行精密且连续的操控，将超表面用于空间滤波，利用超表面对于光波灵活精准的调控能力，可以实现丰富的计算功能，如微分、积分、方程求解、角谱滤波等。微分运算器件在光学图像处理、生物成像、自动驾驶等方面具有广泛的应用。目前，大多数超表面空间光场微分器件只能实现单一的微分运算功能，因此，为了突破超表面在复用型光计算的研究瓶颈，亟需一种新的超表面的设计方法，以满足深层次的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于马吕斯超表面的一阶二阶复用型空间光场微分器件及其设计方法，通过该方法制备的微分器件可以在空域上实现一阶微分或者二阶微分的功能转换。本发明与现有技术相比，是用同一种结构实现了阶数微分复用功能，即同时实现一阶微分和二阶微分的运算。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于超表面的一阶二阶复用光场微分器件，其特征在于：所述马吕斯超表面单元结构为三层结构，从下到上依次为基底，介质层和纳米砖；所述纳米砖单元结构的尺寸一致但方向角不同；所述纳米砖长轴方向与X轴方向的夹角为方向角，所述纳米砖呈θ方向角放置于介质层上；所述超表面由若干个单元结构周期性排列于同一平面上。

第二方面，本发明提供一种基于超表面的一阶二阶复用光场微分器件的设计方法，其特征在于：使用商业电磁仿真软件CST STUDIO SUITE在工作波长下对单元结构的尺寸参数进行优化，使得所述单元结构在工作波长下作为微纳起偏器工作，所述纳米砖的长短轴在整个可见光波段分别产生具有较大差别的反射响应光谱；

若入射光依次通过透光轴方位为α

若经过起偏器后的光强度为I

出射光的复振幅表示为：

转动第一个起偏器，使得第一个起偏器透光轴方位角

根据小角度近似，有如下关系：

当A＝1，D＝0时，所述单元结构相当于一个微纳起偏器；

若起偏器和检偏器的透光轴方向为

作为优选方案，所述基底由不透明地Si材料构成，介质层由低折射率且透明地SiO

进一步地，所述纳米砖结构尺寸参数包括纳米砖的周期CS、长度L、宽度W及高度H。

更进一步地，当工作波长选择610nm时，周期CS＝300nm，长度L＝180nm，宽度W＝60nm和高度H＝220nm。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明所提出的阶数复用光场微分器件可以实现空域一阶二阶微分运算的转换，两种功能互不影响，可以满足不同的运算要求，为实现复用型光计算器件提供了一种新的设计方法。可广泛运用于光学图像处理、生物成像、自动驾驶等领域。

2、本发明的纳米砖结构可使用各种电介质、金属构成，设计灵活，结构简单；

3、本发明所实现的纳米砖单元结构的尺度在亚波长量级，所设计的超表面具有体积小、重量轻，集成化程度高等优点，适应于未来小型化、微型化的发展。

4、三阶及其以上的微分运算对噪声敏感，受噪声干扰较大，因此，本发明所提出的阶数复用光场微分器可以用于大多数场景的边缘检测。它既有一阶微分器可精准检测的优点，还具有二阶微分器能检测出边缘纹路的优点，单结构设计也降低了加工难度。

附图说明

图1是本发明实施例中的纳米结构单元的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中纳米结构的反射率分布图；

图3是本发明实施例中超表面实现空域一阶微分功能的效果示意图；

图4是本发明实施例中超表面实现空域二阶微分功能的效果示意图；

图5是本发明实施例中高斯光束对x方向进行空间一阶、二阶微分运算的仿真结果与实验结果图；

图中：1、顶层晶体Si纳米砖；2、中间层SiO

具体实施例

以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。

实施例1

本实施例中，超表面纳米单元结构示意图如图1所示，从上到下依次为顶层晶体硅材料纳米砖1，中间层二氧化硅材料2以及底层晶体硅材料3。

通过优化纳米砖结构单元的几何参数，使得偏振方向沿纳米砖长轴方向的入射线偏振光入射时发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴方向入射的线偏振光入射时发生透射，此时，超表面的功能等效为起偏器。

具体的，以工作波长λ＝610nm为例，采用商业电磁仿真软件CST STUDIO SUITE在工作波长下对单元结构的尺寸参数进行优化，以偏振方向沿着纳米砖长轴方向入射的线偏振光反射效率最高且偏振方向沿着纳米砖短轴方向入射的线偏振光透射效率最高为优化目标，优选得到纳米砖结构的几何参数为周期CS＝300nm，长度L＝180nm，宽度W＝60nm和高度H＝220nm。在该结构下，纳米结构单元的反射率分布如图2所示。由图2可知，在工作波长下λ＝610nm下，R

当入射光依次通过透光轴方位为α

若经过起偏器后的光强度为I

出射光的复振幅可以表示为：

转动第一个起偏器，使得第一个起偏器透光轴方位角

根据小角度近似，有如下关系：

当A＝1，D＝0时，所述单元结构相当于一个微纳起偏器；

如图3和图4所示，通过转动起偏器和检偏器，可以实现一阶微分和二阶微分的功能的切换，若起偏器和检偏器的透光轴方向为

图5为物体为高斯光束和图片时，空域一阶微分和二阶微分的仿真结果，由图可以看出，通过转动起偏器和检偏器，所设计的马吕斯超表面能实现复用型光计算功能的切换，两种微分运算相互独立，互不影响，微分效果优越。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方案，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围能所做的任何修改，等同于替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。