【摘 要】
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中红外技术的开发与应用具有重要的战略意义,在军事、医疗与工业等领域均有广泛应用价值,而各种先进中红外材料及器件也成为该领域的研发热点。对比传统光学材料和器件,超表面可以在亚波长结构的基础上引入相位突变,通过对超表面单元的排布完成对电磁波的调控,具有结构简单、调控自由度高、兼容半导体工艺等特点,在实际的应用中具有极大的优势。通常超表面器件都只具有单一功能,并且在完成设计制备后很难进行重构,无法满足变
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中红外技术的开发与应用具有重要的战略意义,在军事、医疗与工业等领域均有广泛应用价值,而各种先进中红外材料及器件也成为该领域的研发热点。对比传统光学材料和器件,超表面可以在亚波长结构的基础上引入相位突变,通过对超表面单元的排布完成对电磁波的调控,具有结构简单、调控自由度高、兼容半导体工艺等特点,在实际的应用中具有极大的优势。通常超表面器件都只具有单一功能,并且在完成设计制备后很难进行重构,无法满足变焦透镜等动态器件的需求。因此多功能、可调型中红外超表面成为超表面技术的重要发展方向之一。本论文利用GST相变材料,基于广义斯涅耳定律,设计了多种光学功能可调的中红外可调型超表面器件,通过GST相变特性实现了对红外光的动态调控,并根据几何光学和惠更斯原理,构建了针对器件可调性快速分析的半数值算法。本论文的研究内容如下:（1）以GST/Si双层圆柱为超表面结构单元,结合Si O2介质层与Au基底反射层,仿真分析了不同半径圆柱单元的反射系数与相位。在广义斯涅耳定律的基础上,通过优化排布具有两种不同相变状态的GST单元结构,以此设计了具有主动调功功能的超表面器件。（2）在中红外5.3μm频点分别设计了焦距可调型超透镜与功能可调型超表面器件。利用GST两种相变状态下超表面器件所具备的不同相位轮廓,分别实现不同焦距的转变与聚焦/偏转功能的切换。并通过FDTD仿真与半数值算法验证了两种可调型超表面的可行性。可调超透镜其实际焦距分别约为32.6μm与68.4μm,数值孔径分别为0.919与0.706,聚焦效率分别为14.7%与16.3%。功能可调型器件完成了约10°的实际反射偏转与焦距为71.4μm的1D线聚焦,该1D聚焦超透镜数值孔径为0.576并具有13.6%的聚焦效率。（3）在中红外7.4μm频点,选取具有不同尺寸大小的单元结构设计编码子阵列,利用GST的相变特性实现对编码序列的改变。采用编码子阵列设计了一种可调型波束分离器,使垂直入射波可在镜面全反射和反射为两/四束波的状态下切换,反射束的实际俯仰角分别为12.4°与17.4°,并且不同的反射束具有相近的反射功率。本文设计了一种可调型随机编码超表面,能够将垂直入射波均匀地反射到四周,减少垂直方向的反射功率。经过三组不同随机序列结构的仿真,通过改变GST相变状态,其垂直方向的平均反射功率从-97.95d BW/m~2降至-88.88d BW/m~2。
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