CN107505705B

CN107505705B - 交叉偏振转换光学器件及其设计方法

Info

Publication number: CN107505705B
Application number: CN201710690812.7A
Authority: CN
Inventors: 张岩; 赵欢
Original assignee: Capital Normal University
Current assignee: Capital Normal University
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: CN107505705A

Abstract

本发明涉及一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法，该设计方法包括：固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度；固定金属光栅层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算介质层的厚度；固定金属光栅层和介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度；调节“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元；利用一组具有离散相位的“C”结构单元，设计“C”结构金属层的二维阵列；由金属光栅层、介质层和“C”结构金属层组成交叉偏振转换光学器件，用于将入射的x偏振光转换成y偏振光。

Description

交叉偏振转换光学器件及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法。

背景技术

偏振是电磁波的一个重要特性，在电磁波的传播和探测过程中携带了重要的信息。交叉偏振转换器件(CPC)可以将入射光波的偏振态旋转90度，使出射光波与入射光波偏振方向相互垂直。传统的CPC一般是基于材料本身的特性设计的，比如基于晶体的双折射效应和全内反射效应。但是，这种器件的工作带宽窄，转换效果不够好。超表面结构是指厚度小于波长的人工层状材料，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效的调控。

基于超表面结构的CPC通过具有周期性金属天线或金属狭缝阵列结构局域的表面等离子体共振来实现电磁波的线偏振转换，可以实现较大带宽的交叉偏振转换，偏振转换效果比较明显，可被应用于波束操控，波前整形等领域。现有技术中，这种超表面结构可以是单层的，也可以是多层的。图1是基于单层超表面结构的交叉偏振转换器的示意图，其是由一层超表面结构和一层介质层组成；基于多层超表面结构的交叉偏振转换器是由两层或两层以上超表面结构和相邻超表面结构中间的介质层组成。

单层超表面结构的交叉偏振转换器在实现线偏振转换时，偏振转换效率低，不超过25％，但是加工简单。而多层超表面结构的交叉线偏振转换器是基于法布里-珀罗共振来实现线偏振转换的增强，所以具有偏振转换效率高的优势。但多层超表面结构，因为其结构复杂，加工往往需要经过多次旋涂，光刻，镀金等复杂的工序，在可见光波段工作的多层超表面结构需要纳米尺度的加工，使加工过程很困难。因此，如何设计出具有最简单的多层超表面结构，并能实现高的偏振转换效率的交叉偏振转换器，是目前本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的交叉偏振转换光学器件不能同时实现结构简单和偏振转换效率高的效果，从而提供一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种交叉偏振转换光学器件的设计方法，包括：

固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度；

固定所述金属光栅层与所述“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述介质层的厚度；

固定所述金属光栅层和所述介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度；

调节所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元；

利用所述一组具有离散相位的“C”结构单元，设计所述“C”结构金属层的二维阵列；

由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件，所述交叉偏振转换光学器件用于将入射的x偏振光转换成y偏振光。

作为上述设计方法的一种改进，所述x偏振光的频率为0.75THz。

作为上述设计方法的又一种改进，所述“C”结构金属层的材质采用金；所述介质层的材质采用硅半导体；所述金属光栅层的材质采用金。

作为上述设计方法的再一种改进，所述固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度步骤中，计算得到所述金属光栅层的光栅周期为Λ＝10μm，光栅宽度为w＝4μm。

作为上述设计方法的还一种改进，所述固定所述金属光栅层与所述“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述介质层的厚度的步骤中，计算得到所述介质层的厚度为80μm。

作为上述设计方法进一步的改进，所述固定所述金属光栅层和所述介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度的步骤包括：选择所述“C”结构单元的厚度为40nm，计算得到所述“C”结构单元的外半径为R＝35μm、内半径为r＝25μm、起始角度为θ_start＝50°，终止角度为θ_stop＝0°。

作为上述设计方法进一步的改进，所述调节所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元的步骤包括：根据法珀共振理论，选择8个不同的“C”结构单元，以使产生的8种y偏振光的振幅相同，相位变化以45度为梯度。

作为上述设计方法进一步的改进，所述利用所述一组具有离散相位的“C”结构单元，设计所述“C”结构金属层的二维阵列的步骤包括：设定二维阵列的排布为方形阵列，包括128*128个所述“C”结构单元，相邻两个所述“C”结构单元的中心间距为80μm。

作为上述设计方法进一步的改进，所述由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件的步骤中，所述交叉偏振转换光学器件为全息成像器件。

作为上述设计方法进一步的改进，所述由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件的步骤中，所述交叉偏振转换光学器件为聚焦透镜。

本发明的技术方案还提供一种交叉偏振转换光学器件，包括：

“C”结构金属层，包括二维阵列，由具有离散相位的多个“C”结构单元组成；

介质层；

金属光栅层；

所述交叉偏振转换光学器件用于将入射的x偏振光转换成y偏振光。

作为上述光学器件的一种改进，所述具有离散相位的多个“C”结构单元包括8种不同的“C”结构单元，根据法珀共振理论，产生的8种y偏振光的振幅相同，相位变化以45度为梯度。

作为上述光学器件的又一种改进，所述“C”结构金属层的材质采用金；所述介质层的材质采用硅半导体；所述金属光栅层的材质采用金。

作为上述光学器件的再一种改进，所述金属光栅层的光栅周期为Λ＝10μm，光栅宽度为w＝4μm；所述介质层的厚度为80μm；所述“C”结构单元的外半径为R＝35μm、内半径为r＝25μm、起始角度为θ_start＝50°，终止角度为θ_stop＝0°。

本发明的优点在于，本发明的交叉偏振转换光学器件的设计方法，利用法珀共振效应，y偏振光在双层超表面金属结构层之间通过多次振荡可以提高y偏振光透射强度的原理，合理设计“C”结构金属层、金属光栅层及其中间的介质层的结构参数，得到了具有高的偏振转换效率的交叉偏振转换光学器件；通过改变“C”结构单元的宽度和开口角度实现了在保证产生的y偏振光振幅基本不变的条件下，对其相位实现360度范围的调制。并且，本发明实施例的方法在THz波段设计的双层超表面金属结构以其相对较低的对准要求使得加工比较简单，成本较低。

附图说明

图1是本发明第一实施例的交叉偏振转换光学器件的部分结构示意图；

图2是本发明第一实施例的“C”结构单元示意图；

图3是本发明第一实施例的金属光栅层的光栅结构示意图；

图4是本发明第一实施例的偏振转换单元的示意图；

图5是本发明第一实施例的偏振转换单元的腔内共振简要光路图；

图6是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件的设计方法流程图；

图7是本发明第二实施例的偏振转换单元产生的y偏振的辐射场的透射谱；

图8是本发明第二实施例的8种偏振转换单元产生的y偏振的辐射场的振幅和相位调制曲线图；

图9(a)是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件对字母“C”在5mm处进行全息成像的模拟结果；

图9(b)是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件对字母“C”在5mm处进行全息成像的实验结果；

图9(c)是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件对字母“N”在15mm处进行全息成像的模拟结果；

图9(d)是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件对字母“N”在15mm处进行全息成像的实验结果；

图10是本发明实施例三设计交叉偏振转换光学器件时计算得到的xoy平面上的相位分布图；

图11(a)是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光沿光传播方向的光强分布的模拟结果；

图11(b)是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光沿光传播方向的光强分布的实验结果；

图12是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光由焦平面中心位置沿y方向的光强分布；

图13是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对CNU字母的成像图。

附图标识

11、“C”结构金属层 12、介质层 13、金属光栅层

40、偏振转换单元 41、“C”结构单元 42、介质单元

43、光栅结构单元

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。

本发明实施例设计出了具有两层超表面结构的交叉偏振转换光学器件，实现了高的偏振转换效率。

第一实施例

如图1所示，是本发明第一实施例的交叉偏振转换光学器件的部分结构示意图。该交叉偏振转换光学器件具有双层超表面结构，可用于实现全波段的光束整形效果。如图1中所示，该交叉偏振转换光学器件为平板形结构，包括：“C”结构金属层11、介质层12和金属光栅层13。

“C”结构金属层11可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，“C”结构金属层11包含多个“C”结构单元，该多个“C”结构单元以二维阵列排布。

本发明第一实施例中，“C”结构金属层11的材质采用金，“C”结构金属层11包含128*128个“C”结构单元，二维阵列的形状为方形，相邻两个“C”结构单元的中心间距为80μm。

如图2所示，是本发明第一实施例的“C”结构单元示意图。如图所示，R和r分别是“C”结构单元的外半径和内半径，θ_start是“C”结构单元的起始角度，θ_stop是“C”结构单元的终止角度。

介质层12采用对所用光波段具有高透过率的材料，如硅半导体或聚酰亚胺。

本发明第一实施例中，介质层12的材质采用硅半导体，介质层的厚度为80μm。

如图3所示，是本发明第一实施例的金属光栅层13的光栅结构示意图。金属光栅层13可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，金属光栅层13为光栅结构。如图所示，Λ是光栅周期，w是光栅宽度。

本发明第一实施例中，金属光栅层13的材质采用金，厚度为40nm，光栅宽度为w＝4μm，光栅周期为Λ＝10μm。

在“C”结构金属层11与介质层12之间形成第一分界面为interface1，介质层12与金属光栅层13之间形成第二分界面为interface2。

如图4所示，是本发明第一实施例的偏振转换单元的示意图。上述交叉偏振转换光学器件可以看作是由多个偏振转换单元40组成，每个偏振转换单元40包含一个“C”结构单元41、一个介质单元42和一个光栅结构单元43。

以下结合图4和图5，对本发明第一实施例的交叉偏振转换光学器件实现交叉偏振转换的具体理论分析如下：

如图4中所示，当入射光由下至上入射到该偏振转换单元时，首先经过光栅结构单元43和介质单元42，滞后到达“C”结构单元41，会激发“C”结构单元41产生一辐射场。该辐射场包含两种模式的电场，分别称为对称模式和反对称模式。其中，对称模式由入射电场中沿对称轴方向的电场分量所激发，反对称模式由入射电场中沿垂直对称轴方向的电场分量所激发。两种模式的一阶天线谐振波长位置不同，当入射光的偏振是沿着对称轴或垂直对称轴的方向时，由“C”结构单元41激发的辐射场的偏振方向与入射光的偏振方向相同，即当入射光的偏振沿对称轴的方向时，可激发出对称模式的电场，当入射光的偏振方向沿垂直对称轴的方向时，可激发出反对称模式的电场；当入射光的偏振为除上述两种偏振情况以外的其他任意方向时，这两种模式的电场都可以受到激发，此时，由于激发这两种模式所需的谐振条件不同，其振幅和相位是不同的。

如上所述，当一束沿x方向偏振的入射光入射到“C”结构单元41，其与“C”结构单元对称轴夹角为45度时，激发的对称模式和反对称模式的电场的振幅是相等的，调节“C”结构单元41的结构参数，使其激发的对称模式和反对称模式的电场相位相差π，则此时，“C”结构单元41对于入射光来说相当于一个半波片，可使其偏振角度旋转90度，即辐射出y方向偏振的电场。此后，辐射出的y方向偏振的电场将在“C”结构单元41与光栅结构单元43之间的介质单元42内发生多次震荡，即发生多光束干涉，进一步增大了出射的y方向偏振的电场的强度，即提高了转换效率。

如图5所示，是本发明第一实施例的偏振转换单元40的腔内共振简要光路图。t表示第一分界面的振幅透过率，r表示第一分界面的振幅反射率，r'表示第二分界面的振幅反射率。x偏振的入射光Ex，经过光栅结构单元43和介质单元42到达第一分界面处，在第一分界面处，一部分产生y偏振光，一部分被“C”结构单元41反射回到介质单元42中。产生的y偏振光，一部分透过“C”结构单元41，即E_y1，一部分被“C”结构单元41反射回到介质单元42中。x偏振的入射光Ex反射回到介质单元42中的Ex'与产生的y偏振光反射回到介质单元42中的E_y'共同组成E'。反射回到介质单元42中的y偏振光E_y'，在到达第二分界面时，由于其偏振方向与光栅结构单元43的光栅方向相同，所以不能透射过光栅结构单元43，而是几乎全部被光栅结构单元43又反射回到介质单元42，再次到达第一分界面处。同样的，一部分透过“C”结构单元41，即E_y2，另一部分被“C”结构单元41反射回到介质单元42中，遇第二分界面反射回到第一分界面，在第一分界面处，透过一部分，反射一部分。而反射回到介质单元42中的x偏振光此时将透过光栅结构单元43。于是在腔内只发生y偏振光的反复振荡，剩余的x偏振光都辐射出腔外，去除了x偏振的杂散光；最终由偏振转换单元40的“C”结构单元41出射的y偏振光为多次透过的y偏振光的相干叠加，其振幅由如下公式(1)描述：

其中，E_outy是交叉偏振转换光学器件辐射出的y偏振光的电场的振幅，E_yi是每发生一次振荡辐射出的y偏振光的电场的振幅。

本发明第一实施例的交叉偏振转换光学器件的“C”结构金属层11上的由多个“C”结构单元41组成的二维阵列中，包含了4种不同结构参数的“C”结构单元。这4种“C”结构单元和它的4种镜面结构的“C”结构单元可激发出8种不同的辐射场，其振幅相等，相位各差π/4。此处的镜面结构是指以垂直于入射光偏振方向的面为镜面的对称结构。这8种结构的“C”结构单元选自几个谐振峰边缘对应的结构，使其与介质层12的介质单元42和金属光栅层13的光栅结构单元43组合形成8种如图4所示的偏振转换单元，这8种偏振转换单元可激发等振幅且为较大振幅的辐射场，从而得到高强度的辐射场。

如上所述，利用该交叉偏振转换光学器件激发的模的特性，可以设计“C”结构单元的结构参数和二维阵列的排布，使其产生具有特定振幅、相位以及偏振态的辐射场，即可以通过调制“C”结构单元的结构参数对所激发辐射场的振幅和相位进行调制，从而使所设计的交叉偏振转换光学器件实现高效的偏振转换效果。

第二实施例

本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件的设计方法通过调制“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度来调制光束入射到该交叉偏振转换光学器件上所激发的具有垂直偏振态的辐射场的振幅和相位。

图6是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件的设计方法流程图，该设计方法具体包括以下步骤：

601，计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度。具体为固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度。

本发明第二实施例中，给定入射光的频率为0.75THz，偏振方向为x偏振；金属光栅层的材质采用金，厚度选择40nm，计算得到光栅宽度为w＝4μm，光栅周期为Λ＝10μm。

在本发明的另一实施例中，金属光栅层的材质采用银、铜和铝中的一种。

在本发明的又一实施例中，金属光栅层的厚度选择范围为40nm～100nm。

在本发明的又一实施例中，光栅宽度为w＝4μm时，计算得到光栅周期的可选范围为Λ＝8μm～12μm。

在本发明的又一实施例中，给定入射光的频率位于0.7THz～0.9THz范围内。

602，计算介质层的厚度。具体为固定金属光栅层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算介质层的厚度。

本发明第二实施例中，介质层的材质采用硅半导体，计算得到介质层的厚度为80μm。

在本发明的另一实施例中，介质层的材质采用聚酰亚胺。

603，计算“C”结构单元的结构参数，包括外半径、内半径、起始角度和终止角度。具体为固定金属光栅层和介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度。

本发明第二实施例中，“C”结构单元的材质采用金，厚度选择40nm，计算得到“C”结构单元的外半径为R＝35μm、内半径为r＝25μm、起始角度为θ_start＝50°，终止角度为θ_stop＝0°。

如图7所示，是本发明第二实施例的偏振转换单元产生的y偏振的辐射场的透射谱。由步骤601～603中得到的金属光栅层、介质层和“C”结构单元的各参数，可获得如图4中所示的偏振转换单元的所有参数。如图7中所示，在此参数下，计算得到x偏振光由下至上入射到该偏振转换单元上时，产生的y偏振光的振幅透射谱。可以看到，在0.75THz处，y偏振光的振幅透过率为0.88，证明了由本发明实施例的方法设计得到的偏振转换单元具有高的交叉偏振转换效率。

在本发明的另一实施例中，“C”结构单元的材质采用银、铜和铝中的一种。

在本发明的又一实施例中，“C”结构单元的厚度选择范围为40nm～100nm。

604，调节“C”结构单元的结构参数，选择一组具有离散相位的“C”结构单元。具体为分别调节“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择出产生的y偏振光的振幅相同，相位变化以45度为梯度的8个“C”结构单元。

本发明第二实施例中，对“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度分别进行调节，各选取多个不同值，对产生的y偏振光的振幅及相位进行比较，最终选择出了8个振幅相同，相位变化梯度为45度的“C”结构单元，这8个“C”结构单元的详细参数如下表所示。

编号	外半径R(μm)	内半径r(μm)	起始角度(度)	终止角度(度)
					1	35	25	0	310
2	35	32	0	323
					3	35	32	350	335
4	35	25	85	350
					5	35	25	50	360
6	35	32	37	360
					7	35	32	25	10
8	35	25	10	275

如图8所示，是本发明第二实施例的8种偏振转换单元产生的y偏振的辐射场的振幅和相位调制曲线图。步骤604中得到的8个不同“C”结构单元对应8个不同的偏振转换单元。如图8中所示，8个方块点连接的曲线表示产生的y偏振的辐射场的振幅的变化曲线，8个圆圈点连接的曲线表示产生的y偏振的辐射场的相位的变化曲线。这8个偏振转换单元对应的y偏振的辐射场的振幅基本相同，相位各差约45度。

605，利用步骤604得到的一组“C”结构单元，设计“C”结构金属层的二维阵列。具体为，设定光致结果、二维阵列的形状与大小，计算由8种“C”结构单元组成的二维阵列的最优排布方式。

本发明第二实施例中，设定x偏振的入射光经过具有该“C”结构金属层二维阵列的交叉偏振转换光学器件后，对物体实现全息成像的光致结果；设定二维阵列的形状为方形，大小为128*128个“C”结构单元，相邻两个“C”结构单元的中心间距为80μm。

在本发明的另一实施例中，设定二维阵列的形状为圆形。

在本发明的又一实施例中，设定相邻两个“C”结构单元的中心间距为80μm～100μm中的任一值。

606，由金属光栅层、介质层和“C”结构金属层组成交叉偏振转换光学器件。

本发明第二实施例中，得到的交叉偏振转换光学器件能够实现全息成像的光致效果。

如图9(a)～图9(d)所示，是本发明第二实施例的交叉偏振转换光学器件全息成像的模拟结果与实验结果对比图。图9(a)是对字母“C”在5mm处进行全息成像的模拟结果，图9(b)是对字母“N”在15mm处进行全息成像的模拟结果，图9(c)是对字母“C”在5mm处进行全息成像的实验结果，图9(d)是对字母“N”在15mm处进行全息成像的实验结果。通过对比图9(a)和图9(c)，对比图9(b)和图9(d)，可见，实验结果与模拟结果基本吻合，证明了通过本发明第二实施例的方法设计的交叉偏振转换光学器件为全息成像光学器件时，可以实现很好的成像效果。

第三实施例

步骤701～步骤704同本发明第二实施例的步骤601～步骤604。

705，利用步骤704得到的一组“C”结构单元，设计“C”结构金属层的二维阵列。具体为，设定光致结果、二维阵列的形状与大小，计算由8种“C”结构单元组成的二维阵列的最优排布方式。

本发明第三实施例中，设定x偏振的入射光经过具有该“C”结构金属层二维阵列的交叉偏振转换光学器件后，对物体实现聚焦透镜会聚成像的光致结果；设定二维阵列的形状为方形，大小为128*128个“C”结构单元，相邻两个“C”结构单元的中心间距为80μm。

如图(10)所示，是本发明实施例三设计交叉偏振转换光学器件时计算得到的xoy平面上的相位分布图。会聚透镜在其xoy平面上的相位分布为：

其中，λ为入射光的波长，设定透镜的焦距为f₁＝3.84mm，根据公式(2)计算出xoy平面上的相位分布如图(10)所示，再利用步骤704中得到的8个“C”结构单元对其相位分布进行八阶量化，由此得到8阶量化后的相位分布，根据此相位分布进而得到由8种“C”结构单元组成的二维阵列的最优排布方式。

706，由金属光栅层、介质层和“C”结构金属层组成交叉偏振转换光学器件。

本发明第三实施例中，得到的交叉偏振转换光学器件能够实现聚焦透镜会聚成像的光致效果。

如图11(a)所示，是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光沿光传播方向的光强分布的模拟结果。焦斑大小为313μm，聚焦位置在f₁＝3.84mm处。

如图11(b)所示，是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光沿光传播方向的光强分布的实验结果。测量得到，焦斑大小为352μm，考虑实验设备带来的误差因素，此结果与图11(a)的模拟结果已很接近，聚焦位置出现在f₂＝3.84mm处，与设计值f₁＝3.84mm完全吻合。

如图12所示，是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对入射的x偏振光产生的会聚y偏振光由焦平面中心位置沿y方向的光强分布。图中实线所绘曲线是模拟结果，黑色方点连接所绘曲线是实验结果，模拟结果与实验结果所绘曲线重合得非常好。测量两条曲线上的半高全宽值，分别为模拟曲线的半高全宽为313μm，实验曲线的半高全宽为352μm，两个值也非常接近。

如图13所示，是本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件对CNU字母图案的成像图。从成像结果来看，本发明实施例三的交叉偏振转换光学器件具有很好的透镜成像效果。

需要说明的是，本发明上述实施例中，“C”结构单元还可以是任一种两端不封闭的形状，比如条形、“V”形、“U”形结构，都可以通过本发明上述实施例的设计方法设计出合适的双层金属超表面结构，实现高的偏振转换效率。

从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明上述实施例提供的交叉偏振转换光学器件的设计方法，利用法珀共振效应，y偏振光在双层超表面金属结构层之间通过多次振荡可以提高y偏振光透射强度的原理，合理设计“C”结构金属层、金属光栅层及其中间的介质层的结构参数，得到了具有高的偏振转换效率的交叉偏振转换光学器件；通过改变“C”结构单元的宽度和开口角度实现了在保证产生的y偏振光振幅基本不变的条件下，对其相位实现360度范围的调制。并且，本发明实施例的方法在THz波段设计的双层超表面金属结构以其相对较低的对准要求使得加工比较简单，成本较低。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种交叉偏振转换光学器件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述x偏振光的频率为0.75THz。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述“C”结构金属层的材质采用金；所述介质层的材质采用硅半导体；所述金属光栅层的材质采用金。

4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度步骤中，计算得到所述金属光栅层的光栅周期为Λ＝10μm，光栅宽度为w＝4μm。

5.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述固定所述金属光栅层与所述“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述介质层的厚度的步骤中，计算得到所述介质层的厚度为80μm。

6.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述固定所述金属光栅层和所述介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度的步骤包括：选择所述“C”结构单元的厚度为40nm，计算得到所述“C”结构单元的外半径为R＝35μm、内半径为r＝25μm、起始角度为θ_start＝50°，终止角度为θ_stop＝0°。

7.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述调节所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元的步骤包括：根据法珀共振理论，选择8个不同的“C”结构单元，以使产生的8种y偏振光的振幅相同，相位变化以45度为梯度。

8.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述利用所述一组具有离散相位的“C”结构单元，设计所述“C”结构金属层的二维阵列的步骤包括：设定二维阵列的排布为方形阵列，包括128*128个所述“C”结构单元，相邻两个所述“C”结构单元的中心间距为80μm。

9.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件的步骤中，所述交叉偏振转换光学器件为全息成像器件。

10.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件的步骤中，所述交叉偏振转换光学器件为聚焦透镜。

11.一种如权利要求1所述的设计方法设计的交叉偏振转换光学器件，其特征在于，所述交叉偏振转换光学器件包括：

介质层；

金属光栅层；

12.如权利要求11所述的交叉偏振转换光学器件，其特征在于，所述具有离散相位的多个“C”结构单元包括8种不同的“C”结构单元，根据法珀共振理论，产生的8种y偏振光的振幅相同，相位变化以45度为梯度。

13.如权利要求11所述的交叉偏振转换光学器件，其特征在于，所述“C”结构金属层的材质采用金；所述介质层的材质采用硅半导体；所述金属光栅层的材质采用金。

14.如权利要求13所述的交叉偏振转换光学器件，其特征在于，所述金属光栅层的光栅周期为Λ＝10μm，光栅宽度为w＝4μm；所述介质层的厚度为80μm；所述“C”结构单元的外半径为R＝35μm、内半径为r＝25μm、起始角度为θ_start＝50°，终止角度为θ_stop＝0°。