CN108663739A - 偏振片 - Google Patents

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赵长颖
刘梦琦
王博翔
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    • G02—OPTICS
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    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
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Abstract

本发明提供一种偏振片，包括多个亚波长单元，多个亚波长单元间隔排列，形成一维周期性阵列；其中亚波长单元为圆柱形，亚波长单元的半径为56nm。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：偏振片工作在可见光波段，能够高效地反射p极化光、透射s极化光。在波长为580nm的可见光波段其极化转化性能最优，其反射比和透射比分别高达24dB和17dB。此外，超表面偏振片对系统的结构尺寸以及实际加工过程中可能存在的晶格缺陷不敏感，表明超表面偏振片可以工作在宏观尺度也可以工作在微纳米尺度下，并且对加工精度的要求不严格。同时，在±10°的入射条件下，超表面偏振片的反射比和透射比均能大于10dB，因而本发明偏振片具有一定的入射角度偏差可接受性。

Description

偏振片
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地，本发明涉及一种工作在可见光波段偏振片。
背景技术
新型的人工电磁超表面通常由亚波长尺寸的单元结构组成，利用这种超表面的结构设计，能够进一步调控入射电磁波的振幅，相位以及极化状态，从而引起了各个研究领域的广泛关注。同时电磁超表面也因其超薄的厚度使其能进一步改变传统的光学测量方式，在微纳米尺度上进行光学实验。但是目前存在的基于超表面的光学原件的设计存在一下几个问题：首先，等离子超表面尽管能够在微纳米尺度上表现出新颖的光学效果，但是由于金属材料本身的吸收很大，使得等离子体超表面实际的反射和透射的效率很低；其次，与等离子体超表面相比，介电超表面能够提高超表面的工作效率，但是由于自然界中的介电材料，比如说硅和锗，其在可见光波段，特别是小于600nm的波段的自身吸收仍然不可忽视，这使得大部分关于高效率的超表面的设计都集中在近红外波段；此外，现有的偏振片设计通常对结构的尺寸大小，晶格的扰动以及入射光的角度范围等外界因素的影响比较敏感，这进一步降低了其工作效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种解决现有的超表面电磁元件效率低下、工作波段受限、对加工精度要求较高以及工作性能受其他因素影响较大等问题的偏振片。
为解决上述技术问题，本发明提供一种偏振片，包括多个亚波长单元，多个所述亚波长单元间隔排列，形成一维周期性阵列；其中所述亚波长单元为圆柱形，所述亚波长单元的半径为56nm。
优选地，多个所述亚波长单元排列成的一维周期性阵列的周期为320nm。
优选地，所述亚波长单元的材质为单晶硅。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：偏振片工作在可见光波段，能够高效地反射p极化光、透射s极化光。在波长为580nm的可见光波段其极化转化性能最优，其反射比和透射比分别高达24dB和17dB。此外，超表面偏振片对系统的结构尺寸以及实际加工过程中可能存在的晶格缺陷不敏感，表明的超表面偏振片可以工作在宏观尺度也可以工作在微纳米尺度下，并且对加工精度的要求不严格。同时，在±10°的入射条件下，超表面偏振片的反射比和透射比均能大于10dB，因而本发明偏振片具有一定的入射角度偏差可接受性。另外，本发明的偏振片的工作波段可通过改变亚波长尺寸的圆柱单元以及一维周期性阵列的周期灵活调整。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明偏振片模型示意图；
图2a为本发明偏振片对s偏振光的反射和透射图谱图；
图2b为本发明偏振片对p偏振光的反射和透射图谱图；
图3a为本发明偏振片在图2a的条件下工作波长为580nm的反射比和透射比计算结果图；
图3b为本发明偏振片在图2b的条件下工作波长为580nm的反射比和透射比计算结果图；
图4为本发明偏振片的偏振特性随着结构尺寸大小变化图；
图5为本发明偏振片的偏振特性随着一维阵列周期晶格缺陷的无序程度增加的变化图；
图6为本发明偏振片的偏振特性随着入射角度的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明工作在可见光波段的超表面偏振片由一排周期性阵列的亚波长圆柱单元组成。其中，亚波长单元圆柱的半径为56nm，选用材料为单晶硅，一维阵列的周期为320nm。在垂直入射条件下，超表面在最佳工作波长为580nm时能够完全透过s偏振的入射光，反射p偏振的入射光。此外，本发明偏振片对结构尺寸的大小，以及实际加工过程中可能存在的晶格缺陷不敏感。同时，超表面偏振片在一定的入射角度范围内仍然能保持良好的偏振特性。欲使偏振片可工作在其他波段，可进一步调整亚波长圆柱单元的半径和一维阵列的周期。
图1是本发明超表面偏振片的模型示意图。
其中入射光沿着x方向入射，s偏振光的电场方向沿着z轴，p偏振光的磁场方向沿着z轴。k为入射波失，其与x轴的夹角为入射角。垂直入射时入射角为0°。亚波长圆柱单元的材料是单晶硅，半径为r，一维阵列周期为d。
图2a和图2b是超表面偏振片在垂直入射条件下，亚波长圆柱单元的半径为56nm以及一维阵列周期为320nm时对s偏振光以及p偏振光的反射和透射图谱。
其中图2a和图2b分别是p偏振光和s偏振光的反射和透射图谱，其中横坐标λ为入射光与反射光的波长。可以发现，对于超表面偏振片，工作波长在580nm附近时其能有效的反射s偏振的入射光，透射p偏振的入射光。
图3a和图3b是超表面分别在图2a和图2b条件下工作波长为580nm是的反射比和透射比计算结果，其中横坐标λ为入射光和反射光的波长。图中可见，在该波长下，本发明偏振片的偏振转化效率极高，反射比和透射比分别高达24dB和17dB。反射比βR和透射比βT的定义如下：
其中，表示p偏振入射波的零阶透射，表示s偏振入射波的零阶透射，表示p偏振入射波的零阶反射，表示s偏振入射波的零阶反射。
图4是超表面的偏振特性随着结构尺寸(布置亚波长圆柱单元的数目)大小的变化。
其中横坐标为偏振片系统中所包含的亚波长单元圆柱的个数，左侧的纵坐标表示不同偏振光垂直入射条件下的反射和透射率的大小，右侧的纵坐标表示反射比和透射比的高低。从图中可以明显发现，反射率和透射率在N大于40时均已收敛，其中N为布置的亚波长单元圆柱的个数。尽管反射比在系统尺寸比较小的时候有比较大的波动，但是其反射比的值仍然高于20dB，表明本发明的偏振片具有优秀的偏振特性，并且该偏振特性对实偏振片实际的尺寸大小不敏感。如若进一步提高偏振片的工作性能，可进一步调整周期和亚波长单元圆柱的尺寸。
图5是超表面的偏振特性随着一维阵列周期晶格缺陷的无序程度增加的变化。
其中横坐标为周期性晶格中引入的无序程度大小纵坐标为反射比和透射比随着无序程度的变化。其中|Δd|为相邻亚波长单元之间的距离(不包括半径)，|Δd|max为相邻亚波长单元之间的最大距离，d为相邻的亚波长单元之间的间距，r为亚波长单元的半径。结果表明，尽管引入无序程度会降低偏振片的性能，但是在无序程度达到最大的时候，本发明偏振片仍然能保证反射比大于17dB，透射比大于8dB的优良的偏振效果，使其在实际应用中具有广阔的应用前景。
图6是超表面的偏振特性随着入射角度的变化。
其中横坐标是入射角度，纵坐标是反射比和透射比的变化。结果表明，倾斜的入射角度对与偏振片的性能影响很大，入射角度越大，偏振片的性能降低的越明显。但是在入射角度小于10°的范围内，偏振片的反射比和透射比也能保证在10dB以上，因此，当入射角度有微小偏差时，本发明偏振片仍能保持优良的性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种偏振片，其特征在于，包括多个亚波长单元，多个所述亚波长单元间隔排列，形成一维周期性阵列；其中
所述亚波长单元为圆柱形，所述亚波长单元的半径为56nm。
2.根据权利要求1所述的偏振片，其特征在于，多个所述亚波长单元排列成的一维周期性阵列的周期为320nm。
3.根据权利要求1或2所述的偏振片，其特征在于，所述亚波长单元的材质为单晶硅。
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