一種具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列，它由金屬材料膜和位于金屬材料膜內(nèi)的若干個(gè)雙層孔結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。雙層孔結(jié)構(gòu)單元是由在金屬膜內(nèi)制作的上層孔和下層孔組成，上層孔和下層孔為同軸通孔；上層孔的上端面與金屬膜層上表面重合，下層孔的下端面與金屬膜層下表面重合；對(duì)給定波長(zhǎng)電磁波，可以通過(guò)改變上層孔直徑、深度和下層孔直徑、深度來(lái)調(diào)節(jié)雙層孔結(jié)構(gòu)單元的等效折射率；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的振幅和相位連續(xù)調(diào)控?？梢愿鶕?jù)需要，在平面上采用多個(gè)雙層孔結(jié)構(gòu)單元（即雙層孔結(jié)構(gòu)陣列），實(shí)現(xiàn)平面空間內(nèi)振幅、相位分布的連續(xù)調(diào)控。同時(shí)，可以通過(guò)在雙層孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充介質(zhì)材料，進(jìn)一步改善雙層孔結(jié)構(gòu)單元的振幅和相位調(diào)節(jié)功能。
【專利說(shuō)明】一種具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光場(chǎng)調(diào)控【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的相位和振幅進(jìn)行連續(xù)調(diào)控的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的相位和振幅進(jìn)行調(diào)控，可應(yīng)用于各種電磁波功能器件中。實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)相位和振幅的連續(xù)調(diào)控是電磁波功能器件的關(guān)鍵。在微納光學(xué)器件中，通常采用的二值振幅調(diào)控或者純相位調(diào)控，往往不能得到最優(yōu)的光學(xué)設(shè)計(jì)，這大大限制了微納光學(xué)器件工作性能。實(shí)現(xiàn)對(duì)光波振幅和相位的連續(xù)調(diào)控，將增加微納光學(xué)器件的設(shè)計(jì)自由度，并極大提升微納光學(xué)器件的性能。
[0003]1、現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于相位的調(diào)控，通常是采用單層金屬孔(或縫)，通過(guò)改變孔的直徑(或縫的長(zhǎng)、寬)來(lái)控制單層金屬孔(或縫)等效折射率rwf = nK+ini。對(duì)于單層圓形理想金屬孔，其等效折射率可以表示為:

【權(quán)利要求】
1.一種具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于包括金屬膜層(I)和雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2); 所述金屬膜層(I)是一層具有一定厚度的金屬材料膜； 所述雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)是由在金屬膜層內(nèi)制作的上層孔和下層孔組成，上層孔和下層孔為同軸通孔；上層孔的上端面與金屬膜層上表面齊平，下層孔的下端面與金屬膜層下表面齊平；上層孔直徑為D1，下層孔直徑為D2, D1和D2小于波長(zhǎng)λ，上層孔深度為tl，下層孔深度為t2 ;所述雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)在金屬膜層上呈陣列分布；對(duì)給定波長(zhǎng)的電磁波，通過(guò)在平面空間內(nèi)改變每個(gè)單元上層孔直徑、深度和下層孔直徑、深度來(lái)調(diào)節(jié)雙層孔結(jié)構(gòu)單元的等效折射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在平面空間內(nèi)振幅和相位連續(xù)調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:確定雙層孔結(jié)構(gòu)單元參數(shù)Dp tp D2、t2的方法如下: (1)根據(jù)給定的工作波長(zhǎng)λ，選用折射率接近于理想金屬折射率的實(shí)際金屬，g卩，所選用的實(shí)際金屬材料折射率實(shí)部應(yīng)該盡可能小、折射率虛部應(yīng)該盡可能大； (2)雙層孔結(jié)構(gòu)單元可以分別看成兩個(gè)單層金屬孔結(jié)構(gòu)的組合，為了確定雙層孔結(jié)構(gòu)深度h和t2，可以先確定單層金屬孔單元的等效折射率，即通過(guò)有限時(shí)域差分法數(shù)值模擬，對(duì)于給定波長(zhǎng)λ，在平面波垂直入射條件下，對(duì)于給定陣列周期a，即單元尺寸，求解單層金屬孔單元的等效折射率nrff = nE+ini與金屬孔直徑D的關(guān)系，其中ηκ是等效折射率的實(shí)部，Ii1是等效折射率的虛部，i為單位虛數(shù)，在neff與D的關(guān)系曲線中，存在一個(gè)臨界直徑D。，當(dāng)D>D。時(shí)，Ii1近似為零； (3)根據(jù)單層金屬孔單 元的等效折射率neff與金屬孔直徑D的關(guān)系，分別確定上層孔深度h和下層孔深度t2: (3.1)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的振幅調(diào)節(jié)范圍的最小值A(chǔ)min，在直SD1小于臨界直徑D。的前提條件下，根據(jù)所有D1取值對(duì)應(yīng)等效折射率中虛部最大值nImax，確定上層孔的深度t1-----;
2兀~max (3.2)根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的最大相位延遲Φ_，在直徑仏大于臨界直徑D。的前提條件下，根據(jù)所有D2取值對(duì)應(yīng)等效折射率中實(shí)部最大者nKmax，確定下層孔深度t2=^^ ； (4)求解雙層金屬孔結(jié)構(gòu)單元直徑(D1,D2)與振幅透射率、相位延遲的關(guān)系:根據(jù)所求得的上層孔深度^和下層孔深度t2，通過(guò)有限時(shí)域差分法數(shù)值模擬，對(duì)于給定波長(zhǎng)λ，在平面波垂直入射條件下，對(duì)于給定陣列周期a，求解雙層金屬孔結(jié)構(gòu)單元的振幅透射率、相位延遲與直徑(DnD2)的關(guān)系；讓下層孔直徑D2和上層孔直徑D1兩者的取值在O到a范圍內(nèi)變化，得出各種直徑取值組合(DnD2)對(duì)應(yīng)的振幅透射率和相位延遲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:在光學(xué)器件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)光學(xué)器件振幅透射率和相位延遲在平面空間分布的要求，在空間相應(yīng)位置采用滿足對(duì)應(yīng)振幅透射率、相位延遲要求的雙層金屬孔結(jié)構(gòu)單元(t1; t2，D1,D2)，便可以實(shí)現(xiàn)器件所需的振幅透射率和相位延遲的空間分布，達(dá)到光學(xué)器件所設(shè)計(jì)的功倉(cāng)泛。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:根據(jù)所需要的最大等效折射率，確定所需要的填充材料，在雙層孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充折射率為ncore的介質(zhì)材料，其中η。，大于空氣的折射率= 1，使其等效折射率的實(shí)部最大值為填充介質(zhì)的折射率11。_，這樣可以在不改變金屬孔深度t2前提下，使光程增加到從而提高雙層金屬孔的相位調(diào)控范圍；同時(shí)，填充介質(zhì)可以提高金屬孔對(duì)光場(chǎng)的徑向約束，即減小金屬孔內(nèi)等效波 長(zhǎng)，從而可以減小陣列的周期a，提高振幅、相位連續(xù)調(diào)控的空間分辨率。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK104076531SQ201410317149
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】陳剛, 溫中泉, 陳李, 何應(yīng)虎 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)