CN111290060A - 一种固定偏转角的新型光束偏转器 - Google Patents

一种固定偏转角的新型光束偏转器 Download PDF

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孙非
刘一超
杨毅彪
陈智辉
费宏明
张明达
刘欣
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Abstract

本发明涉及光路偏转调控领域。一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，该光束偏转器由均匀的各向异性介质构成，光线的有效入射面与有效出射面都为平面且面积相等，偏转角度ɑ等于光线的入射面与出射面的夹角。本专利实现了用均匀介质对任意固定偏转角度的偏转；对任意的入射角度的电磁波都可以产生一个固定的偏转角度，偏转角度与入射角无关，与器件的几何尺寸有关；可以通过改变器件（光束偏转器）结构实现对任意角度的偏转。

Description

一种固定偏转角的新型光束偏转器
技术领域
本发明涉及光路偏转调控领域。
背景技术
反射镜可以对入射光束发生偏转，被广泛地用于各类光学系统中。然而，反射镜出射光束的偏转角度是和入射光的入射角有关的（偏转角等于入射角的两倍）。在某些特殊的光学系统和应用中，需要能够对任意角度入射的光束都产生一个固定偏转角度的新型光束偏转器。
现有技术中设计这种固定偏转角的光束偏转器是通过几何光学光线追迹的逆向设计法，通过求解折射率分布满足的方程，进而得到光束偏转器的参数【1-3】，【1】Whitehead, N. J., Horsley, S. A. R., Philbin, T. G., & Kruglyak, V. V. Gradedindex lenses for spin wave steering. Physical Review B, 100(9), 094404(2019). 【2】Šarbort, M., & Tyc, T. Spherical media and geodesic lenses ingeometrical optics. Journal of Optics, 14(7), 075705 (2012).【3】Cornbleet, S.,& Rinous, P. J. Generalised formulas for equivalent geodesic and nonuniformrefractive lenses. In IEE Proceedings H (Microwaves, Optics and Antennas)(Vol. 128, No. 2, pp. 95-101, 1981, April)。然而，这种几何光学方法设计的固定角度光束偏转器需要非均匀介质（往往折射率从无穷大到1空间渐变），使得实际中很难加工制作。不仅如此，当固定偏转的角度改变时，利用几何光学方法设计得到的非均匀介质的分布情况也会相应变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何利用均匀介质实现固定偏转角偏转。
本发明所采用的技术方案是：一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，该光束偏转器由均匀的各向异性介质构成，光线的有效入射面与有效出射面都为平面且面积相等，偏转角度ɑ等于光线的入射面与出射面的夹角。有效入射面是指光线从入射面入射时，光线在入射面上所占的面积，有效出射面与之类似，是指光线从出射面出射时，光线在出射面上所占的面积。
该光束偏转器的横截面为扇形、三角形、梯形、半环形等中的一种。
各向异性介质的相对介电常数和磁导率在沿着各向异性介质的主轴方向上大于1，而在垂直于沿着各向异性介质的主轴的其他方向上小于1大于0。
两个光束偏转器组合能够实现分光的效果。
本发明的有益效果是：本专利实现了用均匀介质对任意固定偏转角度的偏转；对任意的入射角度的电磁波都可以产生一个固定的偏转角度，偏转角度与入射角无关，与器件的几何尺寸有关；可以通过改变器件（光束偏转器）结构实现对任意角度的偏转。
附图说明
图1为本发明横截面为半环形的光束偏转器的结构图；
图2是当高斯光束以0度入射到图1的入射面时的全波数值模拟的效果；
图3是当高斯光束以15度入射到图1的入射面时的全波数值模拟的效果；
图4是当高斯光束以-15度入射到图1的入射面时的全波数值模拟的效果；
图5是本发明光束横截面为三角形偏转器的结构图；
图6是两个横截面为三角形（图5）的光束偏转器组合后分光示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例光束偏转器横截面为半环形（其它扇形、三角形、梯形都能够实现同样的效果），整个器件是由均匀各向异性介质组成的半环形区域（黑色实线）位于空气（其他区域）中实现的。半环形对应的中心角为ɑ，半环形区域的两个侧边分别为S1和S2对应了偏转器的入射面和出射面，出射的电磁波相对于入射角总是偏转固定的ɑ度。均匀各向异性介质能够保证只要从S1入射，就一定从S2出射，半环形区域中的各项异性介质的相对介电常数和相对磁导率张量在极坐标下（圆心为扇形对应圆心）的表达式为：
εrr=μrr=Δ，
εθθ=μθθ=1/Δ，
εzz=μzz=Δ，
Δ→0，
εrθ=μrθ=εθr=μθr=εrz=μrz=εzr=μzr=εθz=μθz=εzθ=μzθ=0。
这里εrr，εθθ，εzz，εrθ，εθr，εrz，εzr，εθz，εzθ指的是相对介电常数在r，θ，z，rθ，θr，rz，zr，zθ，θz方向上的分量；这里μrr，μθθ，μzz，μrθ，μθr，μrz，μzr，μθz，μzθ指的是相对磁导率在r，θ，z，rθ，θr，rz，zr，zθ，θz方向上的分量。这里的r，θ，z表示的是柱坐标系的坐标轴。
注意上面参数中的Δ是一个小于1大于0的参数，代表相对介电常数和磁导率。只要Δ小于0.1器件就可以有效工作（产生固定的偏转角度ɑ）。而当Δ大于0.1并且小于1时，器件仍然可以产生固定角度偏转（但是固定偏转角度介于0和之间ɑ）。可以看出，偏转器的相对介电常数和磁导率在z和r方向上小于1大于0，而在切向方向上为另外两个方向上的倒数。比如取Δ=0.001代入上面参数表达式子中得到的结构的模拟效果如图2、3、4所示。
用均匀各向异性介质组成的平面镜结构可以看成是偏转角为0的偏转，用均匀各向异性介质组成的反射镜结构可以看成是偏转角为180的偏转。实际上只要光束偏转器的光线的入射面与出射面都为平面且面积相等，偏转角度ɑ就等于光线的入射面与出射面的夹角。因此本实施例虽然没对其它形状结构多加说明，但是应该明白，只要光束偏转器由均匀的各向异性介质构成，光线的有效入射面与有效出射面都为平面且面积相等，即可满足本专利所述的角度偏转。
图2、3、4分别给出了同一个结构当高斯光束以0度、15度、-15度入射到入射面时的全波数值模拟的效果。图中画出的是电场z分量的幅度分布（黑色）。该环形结构对应的中心顶角为ɑ=45度。模拟结果验证了器件产生固定角度偏转的效果：无论入射波的入射角如何，出射波都是相对于入射波产生一个固定的偏转角度ɑ=45度。注意，黑色部分对应了电场的幅度，高斯光束都是从右向左入射。
只要器件的入射面和出射面保持为平面，同时器件的参数保持不变时，器件的几何形状可以改变为其他形状，同时还可以保持这种角度固定偏转的效果。比如图5所示，将图1中S1和S2延长相交，并将扇形的外弧面改变为平面，进而得到的三角形结构同样也可以作为光束偏转器使用。
利用本发明设计的固定角度偏转器，经过其他组合方式后，还可以实现其他调控功能。比如，将两个相同的图5中的三角形固定角度偏转器对接组成图6的结构，可以实现对电磁波的分束功能。

Claims (4)

1.一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，其特征在于：该光束偏转器由均匀的各向异性介质构成，光线的有效入射面与有效出射面都为平面且面积相等，偏转角度ɑ等于光线的入射面与出射面的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，其特征在于：该光束偏转器的横截面为扇形、三角形、梯形、半环形中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，其特征在于：各向异性介质的相对介电常数和磁导率在沿着主轴方向上大于1，而在垂直于主轴的其他方向上小于1大于0。
4.根据权利要求1所述的一种可以让入射电磁波按照固定角度偏转的光束偏转器，其特征在于：两个光束偏转器组合能够实现分光的效果。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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