CN105467498B - 超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，具有单个周期结构，包括一个薄膜衬底以及用于调节反射光在两个垂直偏振分量上的相位差和振幅的双矩形金属阵列层，薄膜衬底前表面上通过光刻工艺和磁控溅射法镀膜方法制得周期排列的双矩形金属阵列层，周期排列的双矩形金属阵列结构的一个周期由两个尺寸不同的矩形组成，通过改变两个尺寸不同的矩形的长、宽和单个周期结构的长、宽以及薄膜衬底的厚度来调节反射光的偏振态。本发明与传统的偏振转换器相比较，具有转换频率宽，转换效率高，超薄等优点；偏振转换器结构简单，取材广泛，便于加工，适用范围广，并可根据实际应用场合及要求，通过结构参数的调整来实现转换频段、转换频宽的调节。

Description

超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波偏振转换器，特别涉及一种超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器。
背景技术
太赫兹（THz）波是频率在0.1THz-10THz之间的电磁波，位于微波和远红外线之间。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、光谱与成像技术以及军工雷达等领域有着广泛的应用。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，太赫兹波偏振转换器是太赫兹应用的一种基本的功能器件，能被广泛应用于无线通信、成像、探测等方面。因此太赫兹波的发展一直备受重视。
传统的操控太赫兹波的偏振态的方法是利用双折射材料的特殊性能，但是自然界中双折射材料少、体积大、损耗大，且工作频段太窄。近年来，基于超表面设计的偏振转换器引起了热潮。目前已经在太赫兹波段实现了宽频线偏光转换器，能将一束线偏振光转换为与之垂直方向上偏振的线偏光。今年5月，新加坡国立大学的Dacheng Wang用非对称的十字形结构实现了线偏光转换成圆偏振光的超薄太赫兹偏振转换器。但是多数此类基于非对称结构的超表面偏振转换器只能实现单频点的线偏光转换为圆偏光的功能，且转换率较低，从而限制了其应用领域。
发明内容
本发明是针对现在的太赫兹波线偏光转换为圆偏光的偏振转换器适用频带太窄的问题，提出一种超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，所提出的双矩形金属阵列结构薄膜衬底金属基板偏振转换器能够在保证高转换率的同时，通过两个单频的偏振转换器的叠加实现宽频偏振转换器的功能。
本发明的技术方案为：一种超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，具有单个周期结构，包括一个薄膜衬底以及用于调节反射光在两个垂直偏振分量上的相位差和振幅的双矩形金属阵列层，所述薄膜衬底前表面上通过光刻工艺和磁控溅射法镀膜方法制得周期排列的双矩形金属阵列层，所述周期排列的双矩形金属阵列结构的一个周期由两个尺寸不同的矩形组成，通过改变两个尺寸不同的矩形的长、宽和单个周期结构的长、宽以及薄膜衬底的厚度来调节反射光的偏振态。
所述薄膜衬底为聚酰亚胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜，其厚度为10-100微米。所述薄膜衬底后表面镀有一层用于增大反射率的金属膜。
所述偏振转换器在0.86~1.36THz水平偏振和垂直偏振的两个分量振幅相等，相位差相差90°，实现线偏光转换为圆偏光，且转换率≥95%。
本发明的有益效果在于：本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，首次在太赫兹波段实现了超薄的反射式宽频太赫兹波线偏光转换为圆偏光的偏振转换器；所提出的双矩形金属阵列结构薄膜衬底金属基板偏振转换器与传统的偏振转换器相比较，具有转换频率宽，转换效率高，超薄等优点；偏振转换器结构简单，取材广泛，便于加工，适用范围广；所提出的制作超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器可根据实际应用场合及要求，通过结构参数的调整来实现转换频段、转换频宽的调节。
附图说明
图1为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器单个周期结构的俯视图；
图2为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器单个周期结构的左视图；
图3为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器的俯视图；
图4为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器的左视图；
图5为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下反射光的水平和垂直两个偏振分量的反射率与频率的关系图；
图6为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下反射光的水平和垂直两个偏振分量的相位差与频率的关系图；
图7为本发明超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下所得圆偏振光的椭偏率与频率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，一种超薄的反射式宽频太赫兹偏振转换器单个周期的长为l 3 ，宽为h 3 ，总厚度为t 1 +t+t 2 。其中包括周期排列的双矩形金属阵列层，聚酰亚胺薄膜衬底层和金属膜基板层。第一层双矩形金属阵列层厚度为t 1 ，第一矩形1的长和宽分别为l 1 、h 1 ，第二矩形2的长和宽分别为l 2 、h 2 。第二层聚酰亚胺薄膜衬底层的厚度为t。第三层金属膜基板的厚度为t 2 。一种超薄的反射式宽频太赫兹偏振转换器由多个周期组成，其中图3、4所示超薄的反射式宽频太赫兹偏振转换器的俯视图和左视图只展示了八个周期的结构图。
一种超薄的反射式宽频太赫兹偏振转换器，包括用于调节反射光在两个垂直偏振分量上的相位差和振幅的双矩形金属阵列层和作为衬底的一定厚度的聚酰亚胺薄膜以及增大反射率的金属膜基板。其中，两个矩形的长、宽和单个周期结构的长、宽以及聚酰亚胺薄膜的厚度等决定偏振转换器所实现的偏振态，聚酰亚胺薄膜后表面镀的金属膜增大偏振转换器的转换率。偏振转换器的双矩形金属阵列结构参数和聚酰亚胺薄膜的厚度参数可以被调节来实现转换频段，转换带宽的改变。所述的聚酰亚胺薄膜衬底层能在电磁波传输过程中起到降低损耗的作用且实现超薄的特性，并不局限于用聚酰亚胺薄膜。
本实施例中，选取折射率为3.5(1+0.01i)的聚酰亚胺薄膜，使用光刻工艺和磁控溅射法镀膜技术在薄膜的前表面制得周期排列的双矩形金属阵列层，同样使用磁控溅射法镀膜技术在薄膜的后表面镀一层金属膜作为基板。通过传统的太赫兹时域光谱系统对制得的超薄的反射式宽频太赫兹偏振转换器进行测试，在入射端的离轴抛面镜与偏振转换器之间和反射端的离轴抛面镜与全反射镜之间分别放置一个偏振片，前者选取所需偏振方向的线偏光，后者获得反射光在两个垂直偏振分量上的频谱信息。太赫兹源发射出的太赫兹波经第一个偏振片，得到所需的线偏光，经离轴抛物面镜将偏振片选取的线偏光聚焦在偏振转换器表面，经偏振转换器反射的太赫兹波信号经过第二个偏振片提取偏振方向相互垂直的两个分量，又经离轴抛物面镜最终汇聚在太赫兹波探测器上。
测试中，选取与水平方向成45°偏振的线偏光经离轴抛面镜聚焦在偏振转换器上，在反射信号中分别提取水平偏振和垂直偏振两个分量。将探测到的时域信号进行傅里叶变换，得到水平偏振和垂直偏振两个分量的反射率和两个分量的相位差。如图5，超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下反射光的水平和垂直两个偏振分量的反射率与频率的关系图，如图6，超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下反射光的水平和垂直两个偏振分量的相位差与频率的关系图，该偏振转换器在0.86~1.36THz水平偏振和垂直偏振的两个分量振幅相等，相位差相差90°，实现了线偏光转换为圆偏光功能，且转换率达到95%以上。如图7，超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器在与水平方向成45°线偏光垂直入射下所得圆偏光的椭偏率与频率的关系图，引入斯托克斯参数计算所得圆偏光的椭偏率，该偏振转换器在0.86~1.36THz的椭偏率恒为-1，即所得圆偏光为右旋偏振光。选取与水平方向成135°偏振的线偏光入射，将得到左旋圆偏振光。因此该偏振转换器具有转换效率高，转换频带宽等一系列优势。由于该偏振转换器是在聚酰亚胺薄膜上制得，所以该偏振转换器兼具超薄，体积小，损耗小等优势。

Claims (4)

1.一种超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，具有单个周期结构，包括一个薄膜衬底以及用于调节反射光在两个垂直偏振分量上的相位差和振幅的双矩形金属阵列层，其特征在于，所述薄膜衬底前表面上通过光刻工艺和磁控溅射法镀膜方法制得周期排列的双矩形金属阵列层，所述周期排列的双矩形金属阵列层的一个周期由两个尺寸不同的矩形组成，通过改变两个尺寸不同的矩形的长、宽和单个周期结构的长、宽以及薄膜衬底的厚度来调节反射光的偏振态。
2.根据权利要求1所述的超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，其特征在于：所述薄膜衬底为聚酰亚胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜，其厚度为10-100微米。
3.根据权利要求1所述的超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，其特征在于：所述薄膜衬底后表面镀有一层用于增大反射率的金属膜。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超薄的反射式宽频太赫兹波偏振转换器，其特征在于：所述偏振转换器在0.86~1.36THz水平偏振和垂直偏振的两个分量振幅相等，相位差相差90°，实现线偏光转换为圆偏光，且转换率≥95%。
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