一种超表面单元及微纳光子器件

本发明涉及微纳光子学，特别是涉及一种超表面单元及微纳光子器件。

背景技术：

1、微纳光子器件是指在微米或纳米尺度上实现光子功能的器件。这些器件在通信、传感、生物医学成像、信息处理等领域具有广泛的应用前景。尽管微纳光子器件在诸多领域展现出巨大的潜力，但由于微纳光子器件涉及大量微型结构，而这些微型结构常常存在高深宽比的几何特性，这将带来较差的力学稳定性，这严重影响器件的加工良品率和在实际场景中的应用。

2、超表面(metasurface)近年来在纳米光学和光子学领域崛起的一项前沿技术，也是一种典型的微纳光子器件。与传统的三维光学材料不同，超表面由二维平面上的人工微结构阵列组成，这些微结构可以精确地操控光波的相位、振幅和偏振状态，从而实现对光的任意操控，在光学成像、显示、传感、光通信等领域展现出巨大的应用潜力。与其他类型的微纳光子器件一样，超表面的核心在于其最小几何单元的设计。每个超表面单元通常是亚波长尺寸的纳米结构，其几何形状、尺寸和材料特性决定了它对入射光的相位和振幅的调控能力。常见的超表面单元包括纳米天线、纳米柱、纳米孔等，这些单元可以通过微纳制造技术在衬底上进行加工。通过合理的设计和排列，这些单元可以实现对光波的相位、振幅、透过率、角动量等全方位调控，从而实现所需的光学功能。

3、目前大多数超表面单元为柱状单元，由于其几何特性，在实际应用环境下容易受到机械应力、热应力等外界因素的影响，导致其结构发生形变甚至破坏。这种力学稳定性的不足严重限制了单元的深宽比，也就是限制了单元的相位调制能力；还影响了超表面的使用寿命，进而影响了其在实际应用中的可靠性。因此，如何提高超表面单元的力学稳定性，同时保证不损害其光学性能，成为超表面从实验室走向实际应用的一个关键问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种超表面单元及微纳光子器件，能够在不损害光学性能的情况下，提高力学稳定性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超表面单元，包括：

3、衬底；

4、微纳结构，设置在所述衬底的上表面；其中，所述微纳结构为上窄下宽的几何构型。

5、所述微纳结构为圆台形几何构型。

6、所述圆台形几何构型的侧壁倾斜角大于0°且小于8°。

7、所述圆台形几何构型的顶面直径的取值范围为400nm～1400nm。

8、所述微纳结构为圆锥形几何构型。

9、所述圆锥形几何构型的顶角大于11°且小于18°。

10、所述圆锥形几何构型的底面直径的取值范围为400nm～1400nm，高度取值范围为2000nm～4500nm。

11、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微纳光子器件，包括多个按照预设规则以阵列形式排列的上述的超表面单元。

12、有益效果

13、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出了一种上窄下宽型几何构型的微纳结构，其能够在保证电磁波调控性能的同时，带来更好的力学稳定性，从而解决现有微纳光子器件中柱状几何单元力学稳定性差的问题。

技术特征：

1.一种超表面单元，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超表面单元，其特征在于，所述微纳结构为圆台形几何构型。

3.根据权利要求2所述的超表面单元，其特征在于，所述圆台形几何构型的侧壁倾斜角大于0°且小于8°。

4.根据权利要求2所述的超表面单元，其特征在于，所述圆台形几何构型的顶面直径的取值范围为400nm～1400nm。

5.根据权利要求1所述的超表面单元，其特征在于，所述微纳结构为圆锥形几何构型。

6.根据权利要求5所述的超表面单元，其特征在于，所述圆锥形几何构型的顶角大于11°且小于18°。

7.根据权利要求5所述的超表面单元，其特征在于，所述圆锥形几何构型的底面直径的取值范围为400nm～1400nm，高度取值范围为2000nm～4500nm。

8.一种微纳光子器件，其特征在于，包括多个按照预设规则以阵列形式排列的如权利要求1-7中任一所述的超表面单元。

技术总结
本发明涉及一种超表面单元及微纳光子器件，其中，超表面单元包括：衬底；微纳结构，设置在所述衬底的上表面；其中，所述微纳结构为上窄下宽的几何构型。其中，微纳结构可以为圆台形几何构型，也可以为圆锥形几何构型。本发明能够在不损害光学性能的情况下，提高力学稳定性。

技术研发人员：李伟,商祥烁,黄海阳,李娜,李顺尧
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5