高效全介质相位梯度超构表面实现近红外反常透射

摘要

我们提出一种由二氧化硅基底上不连续规则六边形硅纳米棒组成的相位梯度超构表面，在近红外波段（1400-1600 nm）实现卓越的反常透射。数值FDTD仿真显示：在1529 nm处总透射率达96.5%，目标反常透射率达96.2%，折射角为30.64°。通过调节周期和单位周期内元件数量，结构在1536 nm处实现68.58°折射角下69.6%的反常透射率——刷新介质超构表面纪录。这种高性能为紧凑、高效的波前控制器件铺平道路。

引言

相位梯度超构表面革新了波前工程，无需笨重光学元件即可灵活控制光的振幅、相位和偏振。与传统衍射元件不同，这些二维超材料可集成进光子芯片，应用涵盖光束导向至全息成像。然而，多数金属基设计受本征欧姆损耗限制，效率受限。全介质超构表面——利用低损耗硅或其他高折射率介质——作为有前景的替代方案崭露头角，但同时实现高反常透射效率和大折射角仍具挑战。近期研究报道约30°折射角下效率达83%，但大角度通常以透射率降低为代价。本工作通过设计规则六边形硅纳米棒阵列，在近红外波段同时实现>96%透射率和高达69°折射角，克服了这些限制。

设计与方法

超构表面由2-µm长六边形硅纳米棒（高度H1，边长w）构成，位于7050 nm二氧化硅基底（H2）上。采用x、y向二维周期性边界条件和z向完美匹配层，模拟1400-1600 nm波段正入射横电（TE）波。硅和二氧化硅折射率取自Palik数据库。制造涉及1200 nm硅薄膜LPCVD、六边形图案电子束光刻、PEC校正剂量以避免邻近效应导致圆角。

首先分析单元胞相位响应。通过调节H1（800-1200 nm）和w（100-220 nm），在1529 nm获得完整2π相位跨度，且H1=1200 nm时透射率>90%。纳米棒的法布里-珀罗型谐振主导相移，经本征模分析和多极展开证实。超构表面相位梯度离散为五个相位步长（0, 2π/5, 4π/5, 6π/5, 8π/5），采用六种不同尺寸纳米棒形成完整周期Px=3000 nm（Ny=500 nm）。广义斯涅尔定律预测反常折射角θr=λ₀/Px；通过减小Px或增加单位周期元件数可将θr从19.35°调至68.58°。

结果与讨论

模拟相位图（图4a）确认全波段平滑2π扫描。总透射率在1400-1600 nm全程超60%，在1529 nm峰值达96.5%。设计波长处反射率<3%，吸收率<0.1%（得益于硅在该波段极低虚折射率）。

计算反常透射效率（图5a）在1527-1545 nm和1591-1600 nm超80%。1529 nm处效率达96.2%，远场功率聚焦于θr=30.64°，符合公式(3)预测。通过增加单位周期元件数（从9减至3），可实现高达68.58°反常折射角，同时在1536 nm保持>70%效率（图7f, 8f）。超构表面对w的±10 nm偏差容差仅导致效率下降2%，展现出良好的制造鲁棒性。

结论

我们设计了一种全介质相位梯度超构表面，在1529 nm实现>96%反常透射效率，折射角高达68.58°。通过调节周期和元件数，器件支持19.35°-68.58°宽角度范围，同时保持高效率（<46.68°时>80%）。这些性能指标超越大多数已报道介质超构表面，使该设计成为集成光子学中紧凑波前控制元件的有力候选者。

数据与材料可用性

支持本研究的数据集可经通讯作者合理请求获取。

缩略语

FDTD

有限差分时域

TE

横电模式

LPCVD

低压化学气相沉积

EBL

电子束光刻

PEC

邻近效应校正

EME

电磁多极展开

SCSs

散射截面

ED

电偶极子

MD

磁偶极子

EQ

电四极子

MQ

磁四极子