一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，包括电介质基底、电介质纳米砖阵列。通过对具有任意偏振二向色性平面结构琼斯矩阵进行数学分析得到解析表达式，利用双原子电介质纳米砖的组合实现任意偏振起偏器件的琼斯矩阵。该任意偏振起偏器件选择性地允许特定的偏振态通过并转化为手性相反的偏振态，其正交偏振态将完全被阻止透过。该器件具有完美的工作性能，在仿真模拟上任意偏振态二向色性参数可达到100％，并且实验上也获得了高于90％的结果。由于所设计的器件的二向色性参量接近100％，使得出射光的偏振不受入射光偏振态的限制，赋予该器件工作在非偏振光下的能力。非偏振光下的能力。非偏振光下的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件


[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件。

技术介绍

[0002]偏振作为光场的重要性质之一，在光与物质相互作用中扮演者重要的角色，对偏振的调制在成像、数据存储、光传感和光通信等领域有着重要的应用。线偏振片是一种可以过滤入射光中的垂直偏振片光轴振动分量的光学器件，其在偏振产生和操控领域具有重要的作用。然而对于位于庞加莱球上的任意偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。在光学超构表面的研究中，超构表面对散射光波偏振的调制通常是基于各项异性结构对偏振态的响应，将特定的入射光偏振光分解为正交的线偏振态，正交的线偏振态通过各项异性结构之后携带了不同的延迟相位，进而叠加为其他的偏振态。调整各项异性纳米结构参数可以对正交线偏振光施加不同的振幅与相位，进而对出射光偏振态进行调制。基于该方法产生的偏振态受到入射光偏振态的强烈影响，往往需要借助额外的偏振器件例如偏振片或波片对入射光场的偏振进行限制。近年来，基于具有较大光学手性响应的3D结构制作的圆偏振态起偏器被多次报道。同时，为了更进一步地减小器件的尺寸，相对于3D结构具有易加工、易于片上集成、面内手性等诸多特点的平面结构被提出，例如鱼状结构、非对称分离环、L型和Z型结构。在对面内手性结构的研究中，一些新的现象被发现，例如圆偏振转化二向色性和非对称传输，具体表现为一种圆偏振态允许通过该器件，透射光的手性发生反转，另一种圆偏振态被阻止透过。该现象赋予了面内手性结构作为圆偏振态的起偏器件的潜力。但是偏振态中更一般情况的椭圆偏振起偏器件依然空缺，如何设计一种不受入射光偏振影响的任意偏振态起偏器件成为了一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件。该器件工作时选择性地允许特定的偏振态通过并转化为手性相反的偏振态，其正交的偏振态将被完全地阻止透过。该器件具有完美的工作性能，仿真模拟上任意偏振态二向色性参数可达到100％，并且实验上也获得了高于90％的结果。由于该器件具有优异的二向色性性能，使得出射光的偏振不受入射光偏振态的限制，赋予该器件工作在非偏振光下的能力。
[0004]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0005]一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，所述的任意偏振态起偏器件包括电介质基底、电介质纳米砖阵列，所述的电介质纳米砖阵列由一系列的双原子超构分子组成，所述的双原子超构分子由具有一定夹角的两个纳米砖构成，所述的电介质纳米砖阵列位于电介质基底之上，通过调控纳米砖的尺寸与夹角，可以只允许任意一对正交
偏振态中一个分量透过，而阻止该对正交偏振态中与其正交的偏振态透过，使得该超构表面具有任意偏振态的二向色性，进而通过设计超构表面的结构可以用来产生任意的偏振态。其中，所述的一对正交偏振态包括线偏振态、圆偏振态及椭圆偏振态。
[0006]进一步地，所述的电介质纳米砖的材质为高折射率电介质材料。
[0007]进一步地，所述的双原子超构分子由两个不同尺寸、不同面内方向角、面内不相交的电介质纳米砖构成。
[0008]进一步地，所述的双原子超构分子通过调控纳米砖的尺寸与夹角可以选择性的允许一对正交偏振态中一个偏振态通过，并将其转化为手性相反的偏振态，同时，该对正交偏振态中的与其正交偏振态将被完全阻止通过。
[0009]进一步地，所述的双原子超构分子中第一个电介质纳米砖施加的相位为
‑
2χ和2χ，旋转方向为ψ
‑
45
°
；第二个电介质纳米砖施加的相位为0和π，旋转方向为ψ；ψ和χ分别为允许透过偏振态的主轴方向与椭偏度。
[0010]进一步地，所述的电介质纳米砖阵列对偏振态的选择透过性由双原子超构分子中两个电介质纳米砖对出射光调制的相位对远场干涉情况的影响决定。
[0011]进一步地，所述的双原子超构分子的旋转角与产生偏振态的主轴方向有关，旋转超构表面可控制出射偏振态的主轴方向，而不影响偏振态的椭偏度。
[0012]进一步地，所述的任意偏振态起偏器件在工作时对入射光的偏振态没有要求，即产生的偏振态不受入射光的偏振态影响，所述的任意偏振态起偏器件可工作在非偏振光下，例如自然光。
[0013]进一步地，所述的双原子超构分子实现的任意偏振态二向色性的功能由内部的两个电介质纳米砖的结构参数与方向角决定。
[0014]进一步地，所述的双原子超构分子的周期为340nm，电介质纳米砖的高度为300nm。
[0015]进一步地，所述的电介质基底的材料为三氧化二铝或二氧化硅；所述的电介质纳米砖的材料为晶体硅、二氧化钛和氮化硅中的一种。
[0016]进一步地，所述的电介质纳米砖阵列的厚度为亚微米量级。
[0017]本专利技术的技术原理如下：
[0018]任意的一种偏振态皆可由一对正交的偏振基矢量叠加而成，基矢量可以选择为正交线偏振态、手性相反的圆偏振态，甚至是一对任意的正交椭圆偏态。一对正交偏振态可以由偏振的主轴方向ψ与椭偏度χ描述。针对于任意的偏振态α(ψ,χ)，其正交偏振态β的偏振态主轴与偏振态α保持垂直，椭偏度互为相反数，即β(ψ
‑
90
°
，
‑
χ)。偏振态α和β的具体表示如下：
[0019][0020][0021]与偏振α和β手性相反的偏振态可表示为α*和β*，其中*表示共轭操作，具体表示如下
[0022][0023][0024]由于平面结构沿Z轴具有对称属性，导致平面结构的琼斯矩阵为一个二阶张量，其中副对角线的两个参量保持一致，可表示为
[0025][0026]其中R(θ)表示旋转平面结构度数为θ。入射光α和β照射该平面结构时，出射光的透射转化为其手性相反偏振态α*和β*的琼斯矩阵为
[0027][0028]其中t
ji
表示入射光偏振态i向出射光偏振态j的转化系数。通过将公式1
‑
5带入公式6可得到：当θ＝ψ
‑
45
°
，a＝be
‑
2iχ
,c＝be
2iχ
和b＝0.5时有t
α*α
＝1，t
β*α
＝t
α*β
＝t
β*β
＝0，表示此时的琼斯矩阵选择性地允许特定的偏振态α通过并转化为手性相反的偏振态α*，其正交的偏振态β将被完全地阻止透过。描述平面结构的琼斯矩阵变为：
[0029][0030]公式7只是描述任意偏振二向色性琼斯矩阵(公式6)的特解，并非唯一解。通过适当地选择超构表面琼斯矩阵(公式5)可以得到其他形式解析表达式。通过对琼斯矩阵拆分，可以得到
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的任意偏振态起偏器件包括电介质基底、电介质纳米砖阵列，所述的电介质纳米砖阵列由一系列的双原子超构分子组成，所述的双原子超构分子由具有一定夹角的两个纳米砖构成，所述的电介质纳米砖阵列位于电介质基底之上，通过调控纳米砖的尺寸与夹角，可以只允许任意一对正交偏振态中一个分量透过，而阻止该对正交偏振态中与其正交的偏振态透过，使得该超构表面具有任意偏振态的二向色性，其中，所述的一对正交偏振态包括线偏振态、圆偏振态及椭圆偏振态。2.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的电介质纳米砖为高折射率电介质材料。3.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子由两个不同尺寸、不同面内方向角、面内不相交的电介质纳米砖构成，其中，两个纳米砖的夹角为45
°
。4.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子选择性的允许一对正交偏振态中一个偏振态通过，并将其转化为手性相反的偏振态，同时，该对正交偏振态中的与其正交的偏振态将被完全阻止通过。5.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子中第一个电介质纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向平，王帅，邓子岚，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：