一种反射式光学超表面设计方法

本发明涉及光学超表面，特别涉及一种反射式光学超表面设计方法。

背景技术：

1、传统的光学元件，如透镜和反射镜，通常对入射光的角度变化影响有限。而光学超表面因其微纳米级的精密结构，能够以前所未有的精确度调制入射光的角度。通过调整微结构单元的尺寸、形状和排列方式，可以实现对出射光角度的高度控制，包括偏转、聚焦、散射等。

2、光学超表面是一种由精密设计的微纳米结构单元组成的表面，超表面单元的亚波长结构使其能较小的尺寸与很薄的厚度上实现对反射/折射波前的操控，使其具有独特的电磁特性和电磁波调控能力，能够有效地控制和调制光波的传播。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种反射式光学超表面设计方法。可以将入射波的传播方向进行预期的改变，使反射光波前以期望的方式弯曲，实现光束的聚焦，偏转。并实现较高效率的反射，保证光波能量在转换过程中的保存。而且其可以对特定频率的光进行奇异反射，具有选择性，更加有利于光学方面的研究。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种反射式光学超表面设计方法，包括以下步骤：

4、1)、在介电层的上表面设置第一金属层，在介电层的下表面设置第二金属层，形成光学超表面，所述第一金属层由若干不同大小的矩形金属块组成，一个矩形金属块为一个子单元。

5、2)、对单个子单元进行仿真，确定单个子单元仿真周期x和y，x和y是x方向和y方向上的周期长度，通过改变子单元的的长度和宽度来获得其对入射光的相位调控变化。

6、3)、将入射光设置为沿x方向的偏振光，并选取特定的波长。

7、4)、通过调控不同尺寸的金属块观察其对相位的变化，并绘制出相位随尺寸变化的图像。

8、5)、依据图像确定每个子单元的大小，要求相位覆盖0-2π，选用不同宽度的y，来实现相位的全覆盖，选择六个子单元构成一个完整的周期结构，其中一个子单元的相位变化大小为π/3。

9、6)、根据子单元的仿真周期x、y，确定相位变化大小dφ和一个子单元仿真周期y的大小dx，确定每个子单元的大小和相位调控。

10、7)、根据广义snell定律，计算入射角和反射角之间的关系，公式如下：

11、

12、式中θr为反射角大小，θi为入射角大小，λ为入射光波长，ni为入射介质折射率大小。

13、8)、将确定好的六个子单元依次连接，形成一个基本单元，确定基本单元的周期大小。

14、9)、对确定好的超表面结构进行仿真，模拟不同角度入射下的反射光角度和光强分布情况。

15、10)、根据仿真结果，对初步设计的超表面结构进行修正和优化，形成最终的光学超表面。

16、进一步地，所述第一金属层和第二金属层的材料为银，介电层材料为二氧化硅。

17、进一步地，介质层厚30nm，第二金属层厚度为300nm。

18、进一步地，第二金属层之下还设基底层，材料为硅。

19、进一步地，波长为680nm。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：

21、1.实现对特定波长光场方向的单方向的可调反射角，可以根据需求调控反射角度，实现更灵活的光学控制和应用。

22、2.适用范围广泛，能够处理入射角范围在-70°至+30°的光线，将其调控至-33°到+57°的出射反射，具有较大的调节范围。

23、3.光路不可逆，能够实现对入射光角度进行调制，使得入射角度一致，不同方向对应的反射角度不同，从而满足特定的光学应用需求。

24、4.基于微纳结构参数变化来调控入射-反射的插入相位值，能够实现对特定波长的光场进行调节，有较好的波长选择性和调制性能。

25、5.通过实现调整反射角度、改变入射光的偏转角度有望可实现更灵活、高效的光学系统和设备，为光学技术的发展带来了新的可能性。

技术特征：

1.一种反射式光学超表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种反射式光学超表面设计方法，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层的材料为银，介电层材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种反射式光学超表面设计方法，其特征在于：介质层厚30nm，第二金属层厚度为300nm。

4.根据权利要求1所述的一种反射式光学超表面设计方法，其特征在于：第二金属层之下还设基底层，材料为硅。

5.根据权利要求1所述的一种反射式光学超表面设计方法，其特征在于：波长为680nm。

技术总结本发明公开了一种反射式光学超表面的设计方法，包括：结构为金属‑介电层‑金属三层结构，其中顶部形状为不同大小的若干矩形金属块。对单个子单元进行仿真，确定了其仿真周期，通过改变矩形金属块的长度和宽度来获得其对入射光的相位调控变化。将入射光设置为沿x方向的偏振光，绘制相位变化图，并确定了每个子单元的大小。根据子单元的仿真周期确定一个子单元仿真周期的大小，依据广义snell定律得到了反射角度与入射角之间的关系。将六个子单元依次连接得到一个基本单元，对确定好的超表面结构进行了仿真，得到不同角度入射下的反射光角度及光强分布情况。本发明的优点是：具有较大的调节范围，实现对入射光角度进行调制，更灵活的光学控制和应用。技术研发人员：朱子健,陈方舟,王小冉,俞耿伟,刘益梦受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12