一種波長(zhǎng)選擇型超表面器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及超材料研究領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種波長(zhǎng)選擇型超表面器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，由于常規(guī)編碼和信道技術(shù)的局限性，傳統(tǒng)的光纖系統(tǒng)的容 量W及頻譜效率已接近極限，無(wú)法滿足傳輸大量信息的需求，不僅如此，其發(fā)送數(shù)據(jù)的安全 性也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了解決運(yùn)個(gè)問(wèn)題，進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量W及頻譜效率，滿足未來(lái) 移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)日益增加的需求需要探索革命性創(chuàng)新技術(shù)。近年來(lái)軌道角動(dòng)量 (0AM)技術(shù)的研究備受關(guān)注，由于良好的正交性和承載信息的安全性，使其可W在同一載頻 上傳輸多路電磁縱滿波，通過(guò)編碼信息和多路復(fù)用技術(shù)來(lái)提高傳輸信息的容量和安全性， 例如0AM可W用于太比特自由空間的數(shù)據(jù)傳輸、可在光纖中進(jìn)行太比特規(guī)模的多路復(fù)用W 及在自由空間進(jìn)行信息傳送。因此0AM在無(wú)線通信中的應(yīng)用掀起了世界性的研究熱潮。
[0003] 為了使0AM在通信系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用，快速切換0AM模式的器件應(yīng)運(yùn)而生，典型 的切換和調(diào)控0AM光束的裝置包括螺旋光調(diào)制，Q-板，計(jì)算機(jī)全息圖和環(huán)形光柵，但W上器 件由于尺寸較大而不方便快速調(diào)節(jié)0AM模式。因此，研發(fā)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換0AM光束的小型化光學(xué) 器件在未來(lái)光學(xué)通信中是很有必要的。近來(lái)，二維材料超表面作為一個(gè)新的平面光學(xué)器件， 已經(jīng)被證實(shí)通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)單元的形狀和方位角可用來(lái)調(diào)節(jié)相位分布，由單元結(jié)構(gòu)排布的 陣列所形成的各式各樣的超表面在線偏振和圓偏振光入射下可產(chǎn)生0AM光束，但卻不能在 不同波長(zhǎng)的入射電磁波照射下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，如何利用一種光學(xué)器件產(chǎn)生不同的0AM光束 W及如何對(duì)大量的0AM光束進(jìn)行有效的分離與檢測(cè)是當(dāng)今技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種波長(zhǎng)選擇型超 表面器件，所述超表面包括多個(gè)電磁區(qū)域，每個(gè)電磁區(qū)域只對(duì)入射至該區(qū)域的電磁波產(chǎn)生 預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)波長(zhǎng)的選擇性。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:一種波長(zhǎng)選擇型超表面器件，包括自 下而上依次排布的基底和由各向異性納米單元結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的超表面，所述超表面包括多 個(gè)電磁區(qū)域，同一電磁區(qū)域的納米結(jié)構(gòu)形狀和尺寸相同，不同電磁區(qū)域的納米結(jié)構(gòu)形狀不 同或形狀相同尺寸不同，即每個(gè)電磁區(qū)域的納米孔結(jié)構(gòu)陣列只對(duì)入射至該區(qū)域的電磁波產(chǎn) 生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)是在超薄金屬或介質(zhì)上刻蝕制成，也可直接制 作在基底上，其特征尺寸小于波長(zhǎng)，排列間距小于半波長(zhǎng);其中所述的超薄金屬其厚度Tg的 取值范圍為：δ<Τκ<λ/15(λ為入射光波長(zhǎng)，δ為金屬的趨膚深度
μ〇 = 43? X 1〇-咕/ m，ω為圓頻率，σ〇為金屬的電導(dǎo)率）;所述超薄介質(zhì)厚度小于入射光波長(zhǎng)。
[0006] 其中，所述的超表面為平面或曲面。
[0007] 其中，所述的各向異性納米結(jié)構(gòu)包括:孔或其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。
[0008] 其中，所述的各向異性納米結(jié)構(gòu)圖案包括:矩形、楠圓形、十字形、工字形或多邊 形。
[0009] 其中，所述的金屬包括:金、銀、銅、金合金、銀合金或銅合金。
[0010] 其中，所述介質(zhì)包括:娃、二氧化娃等半導(dǎo)體W及氣化物等在工作波段透明的材 料。
[0011] 其中，所述基底材料為娃、二氧化娃等半導(dǎo)體W及氣化物等在工作波段透明的材 料。
[0012] 其中，若所述納米孔單元結(jié)構(gòu)制作在介質(zhì)上，介質(zhì)材料與基底材料可相同或不同。
[0013] 其中，所述的基底厚度0<Τ3<λ，λ為入射光波長(zhǎng)。
[0014] 其中，所述基底表面為平面或曲面。
[0015] 其中，所述的波長(zhǎng)選擇性超表面器件的厚度Τ可小于波長(zhǎng)。
[0016] 其中，所述的波長(zhǎng)選擇性超表面器件適用于可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0018] 本發(fā)明通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)可選擇性地透過(guò)不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生和聚焦不同的0ΑΜ光 束，且本發(fā)明設(shè)計(jì)新穎，體積小，重量輕，對(duì)無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域具有啟示意義和廣泛的應(yīng)用 前景。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為波長(zhǎng)和透射系數(shù)與納米孔結(jié)構(gòu)單元尺寸的關(guān)系圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的設(shè)計(jì)圖；
[0022] 圖4為不同波長(zhǎng)下經(jīng)轉(zhuǎn)換和聚焦的0ΑΜ光束的電磁分布仿真結(jié)果；
[0023] 圖5為不同波長(zhǎng)下RCP光和聚焦的0ΑΜ光束的干設(shè)圖樣；
[0024] 圖6為本發(fā)明樣品的掃描電鏡圖；
[0025] 圖7為本發(fā)明樣品測(cè)試裝置圖；
[0026] 圖8為本發(fā)明樣品測(cè)試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 僅限于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書(shū)中的全部?jī)?nèi)容。而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從W下的一個(gè) 實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選的矩形納米孔單元結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示，該波長(zhǎng)選擇型超 表面包括自下而上依次排布的基底1、超表面2。所述超表面是由金薄膜上的兩種矩形納米 孔3、4按照一定方式排列成陣列組成。其中基底厚度為T(mén)s;金薄膜的厚度為T(mén)g;矩形納米孔3 沿X軸的寬為wl，沿y軸的長(zhǎng)為L(zhǎng)1，周期為pi;矩形納米孔4沿X軸的寬為沿y軸的長(zhǎng)為L(zhǎng)2， 周期為p2。
[0029] 本發(fā)明波長(zhǎng)選擇型超表面器件的制作W及參數(shù)優(yōu)化的具體方法如下：
[0030] (1)確定和優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。首先對(duì)單個(gè)納米孔的共振屬性進(jìn)行探討，當(dāng)左 旋圓偏振光化CP)入射到納米孔中，可轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光(RCP)。如圖2所示被轉(zhuǎn)化的光的 最大透射系數(shù)和諧振波長(zhǎng)隨矩形納米孔的長(zhǎng)L的增加而增大且變化幅度較大。但是改變寬 W，被轉(zhuǎn)化光的透射系數(shù)變化不大且諧振波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移?？芍獑卧Y(jié)構(gòu)的尺寸不同所具備的 諧振頻率不同，繼而對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)不同，請(qǐng)參見(jiàn)圖3。考慮到單元結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳輸 的變化，因此方便起見(jiàn)設(shè)計(jì)兩種不同尺寸的納米孔，優(yōu)化參數(shù)設(shè)定為:入射LCPA = 930nm，wl =40nm，L1 = 200nm;入射 ΙΧΡλ = 766nm，w2 = 80nm，