CN104101933B - 平面光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面光学元件及其设计方法。该光学元件的设计方法包括：设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和光致结果的目标参数，设计天线的可变结构参数；以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列；由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。本发明的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由圆偏振光入射时所激发的相反手性的圆偏振光的相位，将不同手性的圆偏振光聚焦到不同位置，从而达到分离左旋与右旋圆偏振光的目的，是一种可靠的设计方法。本发明的方法设计的平面光学元件，实现了理想的偏振分离效果，填补了现有光学元件在圆偏振光分离方面的空缺。

Description

平面光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种平面光学元件及其设计方法。

背景技术

圆偏振光是电矢量在波面内以角速度ω匀速旋转而瞬时值大小不变的光波。由垂直振动合成的理论可知，振幅相等、偏振互相垂直且相位差为±π/2的线偏振光可以合成圆偏振光，根据相位差的正负分为左旋和右旋圆偏振光。

现有的圆偏振光分离技术主要有两种，一种是利用传统的四分之一波片和偏振片，左旋和右旋圆偏振光通过四分之一波片之后会成为偏振互相垂直的线偏振光，然后再利用偏振片对产生的线偏振光进行检测，进而实现对圆偏振光的区分。另一种技术是利用光子的自旋霍尔效应，当圆偏振光在介质分界面反射或折射时，为了保证总角动量守恒，左旋和右旋圆偏振光会在垂直入射面的横向产生一个很小的相对位移，利用弱测量方法可以观测到这个很小的位移，实现圆偏振光的偏振分离。

利用传统四分之一波片和偏振片的方法虽然可以区分左旋和右旋圆偏振光，但是在区分过程中需要手动调节四分之一波片或者偏振片观察光强变化，而且左旋和右旋圆偏振光在空间上并未分离，不利于实时直观的区分圆偏振光的手性。这种方法利用了传统的光学元件，也不利于器件的小型化集成。

利用光子自旋霍尔效应可以实现左旋和右旋圆偏振光在空间上的分离，但是由于自旋霍尔效应非常弱，左旋和右旋圆偏振光的分离距离非常小，最大只到微米量级，需要复杂的观测系统，不利于直观的观测，而且也无法实现小型化和集成化。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术圆偏振光偏振分离器件在直观性、实时性和小型化方面存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种平面光学元件，用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。该平面光学元件包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线微阵列包含多个天线阵元；

所述多个天线阵元具有不同的倾角。

所述平面光学元件用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。

优选地，所述基底的材料采用对所用光波段透明的材料。

优选地，所述金属膜的材质为良导体。

优选地，所述良导体为金、银、铜或铝。

所述天线阵元为狭缝，相邻的所述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之间为空气。

优选地，所述天线阵元为矩形结构、“C”形结构或“V”形结构。

本发明还提供了一种平面光学元件的设计方法，用于设计对全波段圆偏振光进行偏振分离的平面光学元件，其特征在于，所述方法包括：

设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和光致结果的目标参数，设计所述天线的可变结构参数；

以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列；

由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。

所述平面光学元件用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。

优选地，所述光致结果的目标参数为所述入射光发生偏振分离后会聚光束的焦距和两焦点分开距离。

优选地，所述天线的可变结构参数为天线的倾角。

本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由圆偏振光入射到该平面光学元件时所激发的相反手性的圆偏振光的相位，将不同手性的圆偏振光聚焦到不同位置，从而实现分离左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的目的，是一种可靠的设计方法。根据本发明实施例的方法设计的平面光学元件，实现了理想的偏振分离效果，填补了现有光学元件在圆偏振光分离方面的空缺。

附图说明

图1为本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图；

图2a是本发明实施例的矩形天线的结构示意图；

图2b是本发明另一实施例的“C”形天线的结构示意图；

图2c是本发明另一实施例的“V”形天线的结构示意图；

图3是本发明实施例的矩形天线对圆偏振光进行偏振分离的示意图；

图4是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态振幅谱的模拟图谱；

图5是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态振幅谱的实验图谱。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例设计出了具有特定结构的天线微阵列的平面光学元件，实现了对圆偏振光的偏振分离。

图1是本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图。该平面光学元件可用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。如图所示，该平面光学元件包括：基底11和金属膜12。基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，如硅半导体、砷化镓半导体，厚度范围为300μm～1000μm。金属膜12可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，厚度范围为100nm～1000nm，设置在基底11上。金属膜12上设置有二维天线微阵列13，可以是方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列，阵列的大小具体根据入射光斑的大小来设定。该二维天线微阵列13包含N个天线阵元，且N≥36。每一个天线阵元的结构可以是矩形、“C”形、“V”形以及其他结构。相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长。天线阵元可以是狭缝，此时相邻阵元之间是良导体；天线阵元也可以由良导体制成，此时相邻阵元之间是空气。当阵元的结构及阵列的排布都相同时，分别包含这两种形式的天线阵元的两种对应天线阵列，称其中一种为另一种的反结构天线阵列。

优选地，本发明实施例中，基底11的材料采用硅半导体，厚度为500μm；金属膜12采用金材质，厚度为100nm；金属膜12具有的二维天线阵列13的阵列大小为250*250。

图2a是本发明实施例的矩形天线的结构示意图。如图2a所示，该矩形天线的长的范围是120μm～180μm，宽的范围是40μm～80μm；矩形天线的倾角的分布范围为0到π。优选地，本发明实施例中，所有矩形天线阵元的长为150μm，宽为50μm；相邻天线阵元之间的间隔为200μm。

图2b是本发明又一实施例的“C”形天线的结构示意图。如图2b所示，该“C”形天线为一段圆弧形狭缝，圆弧半径r的范围为30μm～80μm，张角θ的范围为20°～180°，狭缝宽度w范围为5μm～10μm；“C”形天线的倾角的分布范围为0到π。优选地，本发明实施例中，所有“C”形天线的半径为35μm，张角为30°，狭缝宽度为5μm；相邻天线阵元之间的间隔为100μm。

图2c是本发明又一实施例的“V”形天线的结构示意图。如图2c所示，该“V”形天线由两个矩形狭缝组成，狭缝长度l的范围为50μm～150μm，张角θ的范围为20°～90°，狭缝宽度w范围为10μm～20μm；“V”形天线的倾角的分布范围为0到π。优选地，本发明实施例中，所有“V”形天线的狭缝长度为90μm，张角为60°，狭缝宽度为15μm；相邻天线阵元之间的间隔为150μm。

本发明实施例的平面光学元件，可对全波段的圆偏振光进行偏振分离。当一束圆偏振光入射到该平面光学元件上时，可同时激发一个偏振分离的透射场和一个偏振分离的反射场。

图3是本发明实施例的矩形天线对圆偏振光进行偏振分离的示意图。如图所示，当左旋圆偏振光入射时，激发的透射场中的右旋圆偏振光会在左边聚焦；而当右旋圆偏振光入射时，激发的透射场中的左旋圆偏振光会在右边聚焦。激发的圆偏振光的相位只与矩形天线倾角有关，表达式为：

上式中，Φ为激发的圆偏振光的相位，为天线的倾角，对应左旋圆偏振光入射时激发的右旋圆偏振光的相位，对应右旋圆偏振光入射时激发的左旋圆偏振光的相位。

同理，当左旋圆偏振光入射时，激发的反射场中的右旋圆偏振光会在左边聚焦；而当右旋圆偏振光入射时，激发的反射场中的左旋圆偏振光会在右边聚焦。激发的圆偏振光的相位同样由式(1)决定，并且，激发的反射场与透射场的大小相同。

本发明实施例中，天线阵元可以是狭缝，此时相邻阵元之间是良导体；当天线阵元由良导体制成，此时相邻阵元之间是空气。当阵元的结构及阵列的排布都相同时，具有这两种互为反结构天线阵列的平面光学元件分别产生的透射场大小相同，产生的反射场大小相同，焦距相同，两焦点分开的距离也相同。

图4是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态振幅谱的模拟图谱。该模拟稳态振幅谱的对应图1所示的具有矩形天线的平面光学元件激发的辐射场。如图所示，图(a)为左旋圆偏振光入射激发的右旋圆偏振光的振幅谱，图(b)为右旋圆偏振光入射激发的左旋圆偏振光的振幅谱，图中箭头方向代表入射圆偏振光的手性。两束激发光在距离器件4mm处聚焦，两焦点距离光轴分别为+1.1mm和-1.1mm，即两焦点相距约2.2mm。模拟图谱说明该平面光学元件对圆偏振光具有偏振分离作用。

图5是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态振幅谱的实验图谱。该稳态振幅谱的实验图谱对应图1所示的具有矩形天线的平面光学元件激发的辐射场。图(a)为左旋圆偏振光入射激发的右旋圆偏振光的振幅谱，图(b)为右旋圆偏振光入射激发的左旋圆偏振光的振幅谱。两束激发光在距离器件4.1mm处聚焦，两焦点距离光轴分别为+1.12mm和-1.13mm，即两焦点大约相距约2.25mm。实验结果与图4所示模拟结果虽有不可避免的误差，但偏振分离效果明显，同样证实了该平面光学元件能够很好地实现对圆偏振光的偏振分离。

本发明实施例的平面光学元件，利用矩形天线、“C”形天线或“V”形天线构成的二维天线微阵列，使左旋(右旋)圆偏振光入射时激发出右旋(左旋)圆偏振光，并且激发的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分别聚焦在不同位置，有效实现了左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的分离，能够简单迅速直观地区分左旋和右旋圆偏振光，填补了传统光学元件在圆偏振光分离方面的空缺。

如上所述，当圆偏振光入射时，激发的圆偏振光的相位与天线的倾角有关，因此，可以设计二维天线阵列，实现左旋和右旋圆偏振光的分离。该设计方法具体包括以下步骤：

601、设计一组天线。包括：

首先，给定入射圆偏振光的波长、天线的形状及天线的常数结构参数。天线形状可以是矩形、“V”型或“C”形。比如若为矩形天线，确定其长和宽及相邻天线阵元之间的间隔；若为“V”形天线，确定其两个臂长的大小、狭缝宽度及相邻天线阵元之间的间隔；若为“C”形天线，确定其内径、狭缝宽度及相邻天线阵元之间的间隔。

本发明实施例中，入射光为太赫兹光，波长为400μm，天线为矩形结构，长和宽分别为150μm和50μm；相邻天线阵元之间的间隔为200μm。

其次，根据入射光的波长、天线的位置坐标(x，y)和光致结果的目标参数设计所述天线的可变结构参数。光致结果的目标参数为入射圆偏振光经过该平面光学元件发生偏振分离后会聚光束的焦距f及两个焦点间的距离2x₀，天线的可变结构参数为天线的倾角

天线的倾角由下面公式计算可得：

其中，x和y为离散化的天线的位置坐标，k₀为入射光波矢，x₀为焦点到光轴的距离，f为焦距。利用此公式，可得到阵列分布的天线的倾角值，并组成预期的二维天线阵列。

由式(1)和式(2)可以看出，对于透射场来说，该平面光学元件相当于正负两个球透镜的组合。其基本原理如图3所示，当左旋圆偏振光入射时，(x+y)为奇数所对应的天线构成正球透镜，正球透镜起到聚焦作用，将激发的右旋圆偏振光聚焦到左边；(x+y)为偶数对应的天线构成负球透镜，激发的右旋圆偏振光会发散而不会聚焦。而当右旋圆偏振光入射时，(x+y)为偶数所对应的天线构成正球透镜，正球透镜起到聚焦作用，将激发的左旋圆偏振光聚焦到右边；(x+y)为奇数对应的天线构成负球透镜，激发的左旋圆偏振光会发散而不会聚焦。这样当左旋或右旋圆偏振光入射时，激发的圆偏振光会在左边和右边分别聚焦，通过对比左右两边的光强就可以清晰判断入射圆偏振光的手性。

优选地，本发明实施例中，设定焦距f＝4mm，两个焦点间的距离为2x₀＝2.2mm，天线的位置(x、y)取一系列离散的点，相邻两个点的距离为200μm。

602、以步骤601设计的离散分布的天线为阵元，设计二维天线微阵列。包括：根据每个天线的位置坐标和倾角大小，由步骤601得到的多个天线排列出预设形状和大小的二维天线微阵列。预设二维天线微阵列可以是方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列。

本发明实施例中，预置二维天线微阵列为方形阵列，行列数各为250，行列间距为200μm，此处预置二维天线阵列的规格与步骤601中设定的相关参数一致。比如，行列数与上述所取天线的位置分布一致，行列间距与上述相邻天线所在点间的距离一致。

603、由基底和具有步骤602设计的二维天线微阵列结构的金属膜组成平面光学元件。包括：选定基底的材料、厚度，选定金属膜的材料、厚度，和步骤602得到的二维天线阵列共同构成平面光学元件。该平面光学元件可用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。其中天线阵元可以是狭缝、相邻天线阵元之间是良导体，或者天线阵元由良导体制成，相邻天线阵元之间是空气，两者原理和功能一致。基底的材料采用对所用光波段透明的材料；金属膜的材料采用金、银、铜和铝等贵金属。

如图1中所示，本发明实施例中，矩形天线阵元是狭缝，相邻阵元之间是良导体；设定基底的材料为硅半导体，厚度为500μm；金属膜采用金材料，厚度为100nm；由该基底和具有步骤602中得到的二维天线微阵列结构的金属膜构成了具有偏振分离作用的平面光学元件，其焦距为4.1mm，与预设的焦距相差0.1mm，两焦点间的距离为2.25mm，与预设分开距离相差0.05mm，在允许误差范围内。本发明实施例的方法，还可以通过进一步优化算法，得到更接近预期的结果。

本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由圆偏振光入射到该平面光学元件时所激发的相反手性的圆偏振光的相位，将不同手性的圆偏振光聚焦到不同位置，从而实现分离左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的目的，是一种可靠的设计方法。根据本发明实施例的方法设计的平面光学元件，可以实时的、直观的对左旋和右旋圆偏振光进行分离，而且器件纵向尺寸为波长量级，具有集成化应用前景，填补了现有光学元件在圆偏振光分离方面的空缺。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种平面光学元件的设计方法，用于设计对全波段圆偏振光进行偏振分离的平面光学元件，其特征在于，所述方法包括：

设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和光致结果的目标参数，设计所述天线的可变结构参数；

以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列；

由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件；

所述天线的可变结构参数为天线的倾角；

所述平面光学元件用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离；

所述光致结果的目标参数为所述入射圆偏振光发生偏振分离后会聚光束的焦距和两焦点分开距离；

所述天线的倾角的计算公式为：

其中，为天线的倾角，x和y为离散化的天线的位置坐标，k₀为入射光波矢，x₀为焦点到光轴的距离，f为焦距；

所述天线常数结构参数为矩形天线的长度和宽度、相邻天线阵元之间的间隔；或

所述天线常数结构参数为“V”形天线的两个臂长、狭缝宽度、相邻天线阵元之间的间隔；或

所述天线常数结构参数为“C”形天线的内径、狭缝宽度、相邻天线阵元之间的间隔。

2.利用权利要求1所述的平面光学元件的设计方法设计的平面光学元件，用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离，其特征在于，所述平面光学元件包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线微阵列包含多个天线阵元；

所述多个天线阵元具有不同的倾角。

3.根据权利要求2所述的平面光学元件，其特征在于，所述基底的材料采用对所用光波段透明的材料。

4.根据权利要求2所述的平面光学元件，其特征在于，所述金属膜的材质为良导体。

5.根据权利要求4所述的平面光学元件，其特征在于，所述良导体为金、银、铜或铝。

6.根据权利要求4所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为狭缝，相邻的所述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之间为空气。

7.根据权利要求2所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为矩形结构、“C”形结构或“V”形结构。