用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统及应用

技术领域

本发明属于光学元件技术领域，尤其涉及一种用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统及应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

超表面是一种由周期性单元结构组成的亚波长平面材料，通过对构成超表面的微纳结构或进行精心设计，可实现亚波长局域光场的任意操控通过设计实现替代传统光学所具备的功能，如透镜、涡旋光发生器、分束器、全息片、纳米印刷、偏振转换器等。与传统光学元件相比，超表面具有轻量化、设计灵活度高、空间分辨率高、集成度高、与半导体工艺兼容等诸多优势。其中超表面在逐点操纵偏振的能力，为矢量光束生成、编码强度信息的纳米印刷等功能提供了可能。然而此类研究多数没有考虑传播方向，局限在单一入射方向。传播方向是一个重要的光学特征，有利于增加信息编码和拓展功能。而目前考虑双向非对称的调控偏振的工作，只能向一种或几种偏振转换，尚不能实现生成任意线偏振。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统及应用。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统，包括两片垂直堆叠的超表面，每片超表面包括包裹材料以及设置在包裹材料内的纳米砖阵列，纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每片超表面中相邻纳米砖的中心点间的距离相同，第一片超表面以及第二片超表面中相同位置处对应的纳米砖间隔设置；

采用圆偏振光正向入射以及反向入射至双层全介质超表面系统，改变双层全介质超表面系统中纳米砖的转角和尺寸，分别得到具有不同偏振角的线偏振光。

本发明第二方面提供了一种用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统在图像显示中的应用，包括：双层全介质超表面系统和0度检偏器；

以圆偏振光依次入射至双层全介质超表面系统和0度检偏器，分别得到正向入射时的出射光强以及反向入射时的出射光强与纳米砖转角之间的函数关系，联立方程组得到每片超表面中纳米砖阵列中每个纳米砖转角，通过将纳米砖阵列中的每个纳米砖按得到的各位置处对应的转角值进行排布，得到所需的双层全介质超表面系统。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)本发明考虑了入射方向对出射光偏振态的影响，可以在正向入射和反向入射的条件下，分别生成任意方向的线偏振光，且二者独立控制。实现了对出射光的偏振方向的解耦。

(2)本发明通过将强度信息编码进偏振里，可以分别在正向和反向入射时，在检偏器下得到两个不同的具有连续灰度的纳米印刷，实现了正向和反向入射的强度解耦。

(3)本发明通过对检偏器的角度进行设计，可以进一步解耦光强信息，在正向和反向入射时分别得到两个不同的二值图像，总计可以得到四个二值图像，拓展了信息密度。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1中的(a)、(b)、(c)分别为第一个实施例的单元晶胞结构与两层的横截面的示意图。

图2中的(a)、(b)分别为第一个实施例的转角为0时扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射x偏振光的透射率及其透射相位分布。

图3中的(a)、(b)分别为第一个实施例的转角为0时扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射y偏振光的反射率及其反射相位分布。

图4中的(a)、(b)分别为第一个实施例的扫描第一片超表面转角θ

图5为第二个实施例的超表面双向线任意偏振生成并且在加上0度检偏器的情况下实现双向纳米印刷的效果示意图。

图6为第二个实施例的超表面双向线任意偏振生成并且在加上0度检偏器和45度检偏器的情况下进一步实现双向四通道二值图的效果示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例公开了一种用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统，包括两片垂直堆叠的超表面，每片超表面包括包裹材料以及设置在包裹材料内的纳米砖阵列，纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每片超表面中相邻纳米砖的中心点间的距离相同；

第一片超表面以及第二片超表面中相同位置处对应的纳米砖之间的间隔距离(D)小于一个波长；采用圆偏振光正向入射以及反向入射至双层全介质超表面系统，改变双层全介质超表面系统中纳米砖的转角和尺寸，分别得到具有不同偏振角的线偏振光。

系统中，第一片超表面以及第二片超表面中相同位置处对应的纳米砖及包裹材料称为单元晶胞，双层全介质超表面系统也可以理解为由多个单元晶胞阵列形成，如图1中的(a)所示为本实施例的双层全介质超表面系统中的一个单元晶胞，每个单元晶胞内部包含两个具有高折射率、低吸收系数材料制备的矩形纳米砖超构原子，超构原子被具有低折射率系数的材料包裹，例如，第一片超表面和第二片超表面中的纳米砖为氢化非晶硅材料，各纳米砖被熔融石英玻璃材料作为衬底包裹，每片超表面中所有纳米砖的尺寸相同。本发明将纳米砖超构原子包裹起来，一方面可以增加超表面器件牢固性，避免上层超构原子结构直接暴露于空气中，受到外界破坏；另一方面保证器件具有平滑表面，容易和其他光学器件进行集成。

第一片超表面以及第二片超表面分别指的是系统中第一层纳米砖阵列以及第二层纳米砖阵列，第一层纳米砖阵列以及第二层纳米砖阵列间隔设置，并且嵌入在包裹材料内，分别如图1中的(b)、(c)所示。

需要说明的是，单元晶胞一般不单独使用，如果仅作偏振转换效果，也会将特定转角的单元晶胞排列成阵列以后使用，可将其理解为上下两层的结构，即垂直堆叠的第一片超表面和第二片超表面，从上方垂直入射至第一片超表面为正向入射，从下方垂直入射至第二片超表面为反向入射。

进一步地，第一片超表面中的纳米砖的功能等效为半波片，第二片超表面中的纳米砖的功能等效为四分之一波片。

具体的，以纳米砖阵列中一个纳米砖为为例进行说明，第一片超表面中，第一纳米砖1对透射光起到半波片的功能，第一纳米砖1的尺寸为长L

根据选定的入射光波长，通过电磁仿真对双层全介质超表面结构进行优化，得到将第一片超表面中的纳米砖的功能等效为半波片的纳米砖转角和尺寸，以及将第二片超表面中的纳米砖的功能等效为四分之一波片的纳米砖转角和尺寸。

在上述技术方案基础上，通过优化设计，在工作波长下，第一片超表面和第一片超表面为透射式工作，第一片超表面上的纳米砖均作为半波片，第一片超表面上的纳米砖均作为四分之一波片。正向入射时，圆偏振的光先入射第一片超表面，将被转化为交叉偏振的圆偏振光，再入射第二片超表面时，又被转化为了线偏振光，偏振方向仅与第二片超表面纳米砖转角有关。透射光依次通过半波片和四分之一波片后的琼斯矩阵由下式说明：

其中，出射线偏振光的偏振角为：α

反向入射时，圆偏振的光先入射第二片超表面，将被转化为的线偏振光，再入射第一片超表面后，出射光依然是线偏振光，偏振方向与第一片超表面和第二片超表面的转角都有关系，透射光依次通过四分之一波片和半波片后的琼斯矩阵由下式说明：

其中，出射线偏振光的偏振角为：α

为了满足第一片超表面的半波片功能，需要找到偏振方向沿长轴和短轴方向的线偏振光入射都保持高透射率，且相位差为π的结构。为了满足第二超表面的四分之一波片功能，需要找到偏振方向沿长轴和短轴方向的线偏振光入射都保持高透射率，且相位差为π/2的结构。

如图2中的(a)、(b)，图3中的(a)、(b)所示，工作波长设置为690nm。在纳米砖转角为0时扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射x偏振光入射y偏振光的透射率及其透射相位分布。高度(H)设置为360nm，周期(P)设置为350nm。纳米柱长度(L)和宽度(W)的扫描范围均从50nm至250nm。从中选出符合要求的第一片超表面的纳米砖尺寸：长约L

本发明将第一片超表面和第二片超表面的超原子垂直堆叠在一起，为了避免衍射，二者距离(D)应当小于一个波长，为了避免两层结构耦合，D不能过小，间隔距离D应大于100nm。基于此，将D设置为200nm。

如图4中的(a)、(b)所示，扫描第一片超表面转角θ

实施例二

本实施例公开了一种基于实施例一的用于双向生成任意线偏振的双层全介质超表面系统在图像显示中的应用，包括：双层全介质超表面系统和0度检偏器；

以圆偏振光依次入射至双层全介质超表面系统和0度检偏器，分别得到正向入射时出射光强以及反向入射时的出射光强与纳米砖转角θ之间的函数关系，联立方程组得到每个超表面的纳米砖阵列中每个纳米砖转角θ

如图5所示，当圆偏振光正向入射时，先被第一片超表面的半波片超原子转化为交叉偏振的圆偏振，再透过第二片超表面，被第二片超表面转化为偏振角α

而当圆偏振光反向入射时，先被第二片超表面的半波片超原子转化为线偏振，再透过第一片超表面，被第一片超表面转化为偏振角α

纳米印刷图像中各像素点强度即I

其中，由正反入射时的两个纳米印刷目标确定结构转角，一个单元晶胞结构作为纳米印刷的一个像素，纳米砖转角由纳米印刷图像的各像素强度值决定，将纳米砖阵列中的每个纳米砖按得到的各位置处对应的转角θ进行排布，从而获得所需的纳米砖阵列。

正向入射时出射强度由四分之一波片功能的纳米砖转角θ

正向入射双层全介质超表面系统及0度检偏器时，出射光强与纳米砖转角之间的函数关系为：

反向入射双层全介质超表面系统及0度检偏器时，出射光强与纳米砖转角之间的函数关系为：

需要说明的是，纳米印刷图像是指具有连续灰度的图像，即像素的强度值可以从0到255(可以归一化为从0到1)任意调控。而二值图像则是只有0和1两种强度值，本实施例通过引入45度检偏器，得到四个二值图像。

如图6所示，在0度检偏器的基础上，再引入一个45度检偏器，在45度与0度检偏器下，在正向或反向条件下得到了四个不同的关系式：正入射0度检偏器

如表1所示，在这四个条件下，将高强度值设为1，低强度值设为0(其中，0和1指的是低强度值或者高强度值，不是严格等于0或1，这里的0对应值0.146，1对应值0.78)，并选出了16组第一片超表面纳米砖转角和第二片超表面纳米砖转角(θ

表1不同检偏器的条件下的纳米砖转角对应的灰度值

在I

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。