CN111220273A - 一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于介质结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质柱结构，其中上层介质柱结构由变宽度和变旋转角度的纳米柱结构构成。本发明设计巧妙，结构简单，通过变宽度介质柱结构，可实现对电磁波高效率调控。本发明可用于设计消色差透镜、偏振测量、成像等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波相位调控技术领域，特别涉及一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件。
背景技术
对于传统偏振测量系统实现偏振态(SOP)的表征需要6次强度测量来确定全斯托克斯参数。这样的问题可以通过结合大量的光学实验元件(包括双折射晶体、棱镜或线栅偏振滤光片)连续测量解决。一个典型的例子，SOP通常使用一组排列适当的偏振元件进行计算，例如，偏振器和波片，它们被连续地放置在检测器前面的光路上。在这个方法中，通过测量通过这些偏振分量的光通量来确定唯一定义SOP的Stokes参数。但是，该系统体积庞大、结构复杂，不符合未来微型化和集成化光学器件的发展趋势。超表面一种由亚波长结构按照一定规律排布的新型人工电磁材料，其厚度小于一个波长。超表面对电磁波具有灵活的调控能力，包括偏振、相位、振幅。目前超表面偏振测量器件大多数都是由周期性结构排列组成，难以实现对不同波长在同一焦平面对全Stokes测量。其中一个解决方案，可以通过优化设计使用不同偏振敏感的小型超表面集成在同一块芯片上，这样可以有效的实现全Stokes参数测量。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出利用变宽度和变旋转角介质纳米柱结构，可实现对电磁波波前的连续调控，从而得到超表面偏振测量器件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质纳米柱结构，其中上层介质纳米柱结构由变宽度和变旋转角纳米柱结构构成。首先采用介质纳米柱结构实现对相位的灵活调控，其次对纳米柱的宽度和旋转角进行调制，用于相位补偿，实现精准相位控制，最终实现多波长消色差超表面偏振测量器件。
其中，所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t>10λ0，介质纳米柱结构的厚度为h，其取值范围为h<λ0，λ0为中心波长。
其中，所述纳米柱结构的横向周期为Px等于纵向周期为Py，其取值范围为Py<λ0，λ0为中心波长。
其中，所述介质柱结构中长度跨度为l1，其取值范围为Px/5<l1<Px，介质柱宽度为w1，其变化范围为Py/5<w1<Py。
其中，所述介质柱结构与介质衬底所用材料是针对于工作波段的低损耗介质材料，可用二氧化硅、硅、蓝宝石、砷化镓等材料。
本发明具有的有益效果在于：
首先，采用全介质结构，比起金属结构，损耗低、效率高；其次，利用纳米柱结构，实现对电磁波相位的灵活调控，尤其是对于多波长消色差偏振器件的设计优化，能够在同一焦平面处实现对6种不同偏振态的同时测量。该器件相比于传统测量有具有明显优势，效率高。最后，该发明具备结构简单、效率高等优势，能够进一步推广超表面器件的应用。
附图说明
图1为本发明的基于介质柱结构的超表面器件示意图，其中，图1中(a)为器件三维示意图，图1中(b)为器件俯视图及局部放大图；
图2为实施例1中本发明设计的两个个多波长消色差偏振敏感器件，图2中(a)-(f)x-z平面的仿真远场能量分布图，其中，图2中(a)-(c)分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的x偏振光消色差效果图，图2中(d)-(f)分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的左旋圆偏振光消色差效果图，焦平面f＝47μm；
图3为实施例1中本发明设计的多波长消色差超表面偏振测量全模仿真结果，其中，图 3中(a)-(f)分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的6种不同入射偏振光Stokes 参数仿真，及其在同一焦平面分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的6种不同入射偏振光的能量分布图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
具体实现过程如下：
如图1所示，该结构至下而上包括介质衬底、介质纳米柱结构。其中介质衬底的厚度为 t；介质柱结构横向周期为Px等于纵向周期为Py，厚度为h；纳米柱长度为l1，纳米柱宽度为w1，纳米柱旋转角度为θ。
结合上述结构，为了便于分析，首先从消色差器件开始分析，如下：
对于沿z方向的焦距为f的消色差聚焦透镜，其相位分布可以表示为：
其中，f为焦距，λ为工作波长，R是超透镜上的任意位置到中心的距离，C(λ)是仅仅与波长相关的优化因子。本发明通过纳米柱结构实现对线偏振光的相位进行调控，即通过谐振产生的传输相位进行波前调控。我们知道，通过变化纳米柱的长宽可以得到不同波长的传输相位数据库。对于消色差聚焦器件，在Matlab环境下引入C(λ)优化因子，使用粒子群优化算法的得到需要的优化功能参数。对与圆偏振光，我们使用传输相位结合几何相位的补偿实现偏振敏感的消色差聚焦超透镜。
偏振信息可以通过全Stokes参数完全表征，S＝(S0,S1,S2,S3)
很明显，通过将上述对于不同偏振敏感的超表面作为一个超级单元集成在同一块芯片上，进而就在同一焦平面实现对可以不同偏振光经过超透镜调制后的波前信息进行收集，根据公式(2)-(5)计算全Stokes参数。本发明变宽度和变旋转角纳米柱结构，通过变化纳米几何参数l1和w1，结合几何相位实现多波长消色差透镜，进而使得产生的波前更趋近于设计的波前，最终实现多波长消色差偏振测量器件。
当然，本发明的基于纳米柱结构的多波长消色差偏振测超表面器件不局限与偏振测量器件，还可以用作其它波前调控的微透镜阵列的候选方案。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
不失一般性，本实施案例针对近红外波段811nm，883nm和1072nm设计了消色差偏振测量超表面器件，该发明同样适用于光波段、太赫兹波段和微波段。如图1所示，单元结构包括：介质衬底和介质纳米柱结构。其中，衬底和纳米柱分别选用二氧化硅和多晶硅。纳米柱结构厚度h为850nm，单元结构周期为Px＝Py＝600nm，纳米柱几何参数的最大值为500nm。本实施案例采用CST电磁仿真软件对器件的性能进行仿真测试，仿真过程中，硅的介电常数设为10.6。
图1(a)，图1(b)为根据上述方法设计的超表面器件局部结构示意图。仿真过程中，我们采用6种不同偏振光从衬底入射，仿真的器件尺寸大约是54μm×81μm。图2中(a)- (f)为计算的远场强度分布图，可以看出，远场能量分布非常干净，几乎集中在焦距上。对应计算的多波长消色差偏振测量器件的Stokes分别为如图3所示，与理论上的Stokes参数(1,0,0),(-1,0,0),(0,1,0),(0,-1,0),(0,0,1),(0,0,-1)具有较好的一致性。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：包括至下而上的一层介质衬底和介质柱结构，其中上层介质柱结构由变宽度和变旋转角度纳米柱结构构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t>10λ0，介质柱结构的厚度为h，其取值范围为h<λ0，λ0＝883nm为中心波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述纳米柱结构的横向周期为Px等于纵向周期为Py，其取值范围为Py<λ0，λ0为中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述介质柱结构中长度跨度为l1，其取值范围为Px/5<l1<Px，介质柱宽度为w1，其变化范围为Py/5<w1<Py。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述介质柱结构中的按一定规则排列在介质衬底上。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述介质柱结构与介质衬底所用材料是适用于工作波长(811nm，883nm，1072nm)的低损耗介质材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，其特征在于：所述介质柱结构与介质衬底可用材料为二氧化硅、硅、蓝宝石、砷化镓。
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|---|---|
| CN (1) | CN111220273A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111679351A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-18 | 福州大学 | 消色差的光学超表面聚焦元件 |
| CN112558293A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-26 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法 |
| CN113790802A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-12-14 | 南京大学 | 基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器 |
| CN114791670A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-07-26 | 华中科技大学 | 一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108873121A (zh) * | 2018-08-09 | 2018-11-23 | 上海理工大学 | 一种超级复消色差超表面复合微透镜 |
| CN109085667A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-12-25 | 华中科技大学 | 一种超表面消色差线偏光透镜 |
| CN109301417A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-02-01 | 北京邮电大学 | 宽带消色差微波超表面透镜及其生成方法 |
| CN109884808A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-06-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于介质柱结构的离轴入射多波长色散调控超表面 |
| CN110333560A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-15 | 合肥工业大学 | 一种基于介质超表面的宽带消色差器件 |
-
2020
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109085667A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-12-25 | 华中科技大学 | 一种超表面消色差线偏光透镜 |
| CN108873121A (zh) * | 2018-08-09 | 2018-11-23 | 上海理工大学 | 一种超级复消色差超表面复合微透镜 |
| CN109301417A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-02-01 | 北京邮电大学 | 宽带消色差微波超表面透镜及其生成方法 |
| CN109884808A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-06-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于介质柱结构的离轴入射多波长色散调控超表面 |
| CN110333560A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-15 | 合肥工业大学 | 一种基于介质超表面的宽带消色差器件 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| EHSAN ARBABI等: "《Full-Stokes Imaging Polarimetry Using Dielectric Metasurfaces》", 《ACS PHOTONICS》 * |
| YAXIN ZHANG等: "《Full Stokes Polarimetry for Wide-Angle Incident Light》", 《PHYS. STATUS SOLIDI RRL》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111679351A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-18 | 福州大学 | 消色差的光学超表面聚焦元件 |
| CN112558293A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-26 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种紧凑型共光路共焦红外双波段光学系统及其制作方法 |
| CN113790802A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-12-14 | 南京大学 | 基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器 |
| CN114791670A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-07-26 | 华中科技大学 | 一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统 |
| CN114791670B (zh) * | 2022-05-13 | 2023-10-24 | 华中科技大学 | 一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统 |
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