【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及超表面調(diào)控光場(chǎng)的，具體指依賴(lài)矢量光束拓?fù)湔恍缘母呔S多通道全息術(shù)，特別是一種基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)及提升全息復(fù)用通道數(shù)的方法。
技術(shù)介紹
1、介電超表面是一種由亞波長(zhǎng)尺度的納米結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)元件，這些納米結(jié)構(gòu)能夠散射光線。通過(guò)精確控制每個(gè)單元的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和取向等參數(shù)，介電超表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的精確調(diào)控。由于介電超表面的尺寸極小，可以設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)光學(xué)元件的條件下，完成空間復(fù)用、偏振復(fù)用和波長(zhǎng)復(fù)用等多種功能。這種小型化設(shè)計(jì)使得它能夠在非常有限的空間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的光學(xué)操作。介電超表面在多功能性、緊湊性、體積小、重量輕和高集成度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，它與傳統(tǒng)的納米制造工藝兼容，這使得在實(shí)際應(yīng)用中可以更容易地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。這些特性使得介電超表面在中紅外增強(qiáng)成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，尤其是在追求小型化和高效能的需求上，展現(xiàn)出極大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。軌道角動(dòng)量作為光特征維度之一使光攜帶有一個(gè)螺旋的相位，由于其物理上具有無(wú)限的正交螺旋模式，成為一種承載高容量信息傳輸通道的方法。許多研究展示了光學(xué)矢量模式奇異霍爾效應(yīng)的潛力，為未來(lái)的多功能光學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用打開(kāi)了新的方向。從對(duì)光的軌道角動(dòng)量維度出發(fā)，發(fā)展高容量的全息復(fù)用術(shù)逐漸有了雛形，隨后發(fā)展出光不同維度與軌道角動(dòng)量維度的多維度聯(lián)合復(fù)用技術(shù)。但都需要在動(dòng)量空間中對(duì)數(shù)字全息圖進(jìn)行空間頻率采樣，才能保留入射光的軌道角動(dòng)量特性，選擇性呈現(xiàn)軌道角動(dòng)量匹配的全息像。但是這種僅限相位的全息圖沒(méi)有考慮軌道角動(dòng)量螺旋波前傳播時(shí)的精確卷積，造成軌道角動(dòng)量多路復(fù)用串?dāng)_極強(qiáng)的問(wèn)題
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提供一種基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)及提升全息復(fù)用通道數(shù)的方法，主要克服現(xiàn)有基于軌道角動(dòng)量復(fù)用全息技術(shù)存在的缺陷，它利用矢量渦旋光束本身的拓?fù)湔惶卣魈岣卟煌瑓?shù)的矢量渦旋光彼此之間的選擇隔離度，實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)軌道角動(dòng)量選擇性，無(wú)需空間點(diǎn)陣濾光板輔助就能進(jìn)行目標(biāo)全息成像的技術(shù)。
2、為實(shí)現(xiàn)上述專(zhuān)利技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案是：
3、一種基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：它包括襯底、介質(zhì)微結(jié)構(gòu)、矢量偏振光束；
4、所述介質(zhì)微結(jié)構(gòu)建立于襯底上；所述介質(zhì)微結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)高反射率介質(zhì)超表面單元周期性排列形成的超表面陣列結(jié)構(gòu)，所述高反射率介質(zhì)超表面單元為幾何形狀的立方體，矢量偏振光束垂直入射到所述超表面陣列結(jié)構(gòu)上。
5、所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述襯底的材料為硅，所述所述介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的材料為硅，所述矢量偏振光束的波長(zhǎng)為3～5微米。
6、所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述幾何形狀的立方體為橢圓柱體，橢圓柱體的長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑是變量，而各橢圓柱體的周期以及橢圓柱體的高度等都保持相等。
7、所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體沿兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行周期性延拓，分別定義為x軸和y軸，兩個(gè)延拓方向相互垂直；當(dāng)偏振方向沿x軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的長(zhǎng)軸方向尺寸所決定的相位分布，當(dāng)偏振方向沿y軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的短軸方向尺寸所決定的相位分布，結(jié)合矢量偏振光束(3)自身所攜帶的高維自由度信息，可以實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_高通道的信息載體。
8、所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑變化的范圍是300納米～1200納米，其單元周期為1.5微米～2微米，橢圓柱體個(gè)數(shù)是1200×1200，總長(zhǎng)度為1800微米×1800微米。
9、所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體的高度為4微米。
10、一種采用基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)的提升全息復(fù)用通道數(shù)的方法，其特征在于：它包括如下步驟：
11、步驟a：根據(jù)矢量偏振光束的入射光波段選擇合適的襯底和介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的材料；
12、步驟b：根據(jù)選擇的材料模擬入射平面光經(jīng)過(guò)不同尺寸大小的單元時(shí)，光的相位以及強(qiáng)度的變化數(shù)據(jù)庫(kù)；
13、步驟c：采用梯度下降算法得到所需的超表面陣列相位信息再在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找出對(duì)應(yīng)的單元，并通過(guò)仿真計(jì)算得到模擬結(jié)果；
14、步驟d：進(jìn)行超表面陣列結(jié)構(gòu)加工；
15、步驟e：針對(duì)設(shè)計(jì)的超表面陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果檢測(cè)，若實(shí)現(xiàn)結(jié)果不符合要求，回到步驟b，對(duì)超表面參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，重復(fù)步驟d-e，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求。
16、所述的方法，其特征在于：所述步驟d中采用電子束曝光或干法刻蝕或濕法刻進(jìn)行超表面陣列結(jié)構(gòu)加工。
17、所述的方法，其特征在于：所述步驟d之后和步驟e之前，用紫外臭氧清洗超表面陣列結(jié)構(gòu)的表面。
18、當(dāng)指定入射矢量偏振光束照射到該高階矢量拓?fù)鋸?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)上，出射光束在傅里葉平面內(nèi)呈現(xiàn)出的全息圖像與預(yù)設(shè)圖像高度吻合。改變?nèi)肷涔馐鴷r(shí)，呈現(xiàn)出不同的圖像實(shí)現(xiàn)了矢量偏振復(fù)用的效果，其突出之處在于圖像不依賴(lài)空間點(diǎn)陣的采樣使得超表面尺寸大小大大縮小，同時(shí)開(kāi)辟了亞波長(zhǎng)尺度中紅外偏振光的可操作性。
19、本專(zhuān)利技術(shù)基于具有空間結(jié)構(gòu)性的矢量渦旋光束，我們研究了一種在中紅外波段基于高階矢量拓?fù)鋸?fù)用的超表面全息術(shù)。設(shè)計(jì)使用三種不同矢量渦旋復(fù)用的超表面全息圖，共擁有12個(gè)獨(dú)立調(diào)控的全息通道。
20、本專(zhuān)利技術(shù)主要在于克服現(xiàn)有基于軌道角動(dòng)量復(fù)用全息技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于高階拓?fù)浜石B加矢量光束的超表面全息復(fù)用器件結(jié)構(gòu)及制備。通過(guò)打破過(guò)去已有軌道角動(dòng)量復(fù)用全息術(shù)需要在動(dòng)量空間中對(duì)數(shù)字全息圖進(jìn)行空間頻率采樣，才能保留入射光的軌道角動(dòng)量特性，選擇性呈現(xiàn)軌道角動(dòng)量匹配的全息像的問(wèn)題，從而獲得不需在頻率空間點(diǎn)陣采樣，因而也不再依賴(lài)軌道角動(dòng)量選擇性，且無(wú)需濾光板輔助就能進(jìn)行目標(biāo)全息成像的超表面全息圖，這在很大程度上簡(jiǎn)化了光路系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)的流程，促進(jìn)了集成化和小型化光學(xué)器件的發(fā)展。
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1.一種基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：它包括襯底(1)、介質(zhì)微結(jié)構(gòu)(2)、矢量偏振光束(3)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述襯底(1)的材料為硅，所述所述介質(zhì)微結(jié)構(gòu)(2)的材料為硅，所述矢量偏振光束(3)的波長(zhǎng)為3～5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述幾何形狀的立方體為橢圓柱體，橢圓柱體的長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑是變量，而各橢圓柱體的周期以及橢圓柱體的高度等都保持相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體沿兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行周期性延拓，分別定義為x軸和y軸，兩個(gè)延拓方向相互垂直；當(dāng)偏振方向沿x軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的長(zhǎng)軸方向尺寸所決定的相位分布，當(dāng)偏振方向沿y軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的短軸方向尺寸所決定的相位分布，結(jié)合矢量偏振光束(3)自身所攜帶的高維自由度信息，可以實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_高通道的信息載
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑變化的范圍是300納米～1200納米，其單元周期為1.5微米～2微米，橢圓柱體個(gè)數(shù)是1200×1200，總長(zhǎng)度為1800微米×1800微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體的高度為4微米。
7.一種采用權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)的提升全息復(fù)用通道數(shù)的方法，其特征在于：它包括如下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于：所述步驟D中采用電子束曝光或干法刻蝕或濕法刻進(jìn)行超表面陣列結(jié)構(gòu)加工。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于：所述步驟D之后和步驟E之前，用紫外臭氧清洗超表面陣列結(jié)構(gòu)的表面。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：它包括襯底(1)、介質(zhì)微結(jié)構(gòu)(2)、矢量偏振光束(3)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述襯底(1)的材料為硅，所述所述介質(zhì)微結(jié)構(gòu)(2)的材料為硅，所述矢量偏振光束(3)的波長(zhǎng)為3～5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述幾何形狀的立方體為橢圓柱體，橢圓柱體的長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑是變量，而各橢圓柱體的周期以及橢圓柱體的高度等都保持相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于高階拓?fù)涫噶抗馐鴱?fù)用的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橢圓柱體沿兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行周期性延拓，分別定義為x軸和y軸，兩個(gè)延拓方向相互垂直；當(dāng)偏振方向沿x軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的長(zhǎng)軸方向尺寸所決定的相位分布，當(dāng)偏振方向沿y軸的平面波沿z軸正向照射到高反射率介質(zhì)超表面單元時(shí)，會(huì)攜帶橢圓柱體的...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李冠海，陳姝瑤，郁菲蘢，陳金，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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