CN111307286B - 一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于介质结构的大角度偏振探测超表面，包括自上而下的介质柱，介质衬底。本发明设计巧妙，结构简单、结构相位响应角度容差大，利用二次相位设计聚焦相位，得到大角度入射光的波前信息。此外，通过对Stokes参数的修正实现对大角度入射光的偏振探测，视场角可达±40°。本发明可以用于设计大角度的偏振探测、偏振成像、波前探测等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。

Description

一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控的技术领域，具体涉及一种基于介质柱结构实现大角度偏振探测的超表面器件。

背景技术

偏振探测是测量目标场景光的偏振态。偏振态的表示方法中，Stokes矢量法可以表述任意偏振态、容易探测，具有明显的优势，因此在偏振探测中已经得到广泛应用。传统的偏振探测方式可分分时型和同时型。分时型偏振探测依赖于旋转的偏振器件或相位延迟器实现对景物入射光的调制，因此需要较长的探测时间并且也需要静止的探测系统和场景。为了弥补此设计缺陷，实现对运动目标的探测，提出同时型偏振探测系统。同时型偏振探测系统分分振幅、分孔径、分焦平面偏振探测系统。这些技术都是基于测量不同偏振态的强度并使用它们来估计完整的斯托克斯矢量或其一部分。虽然后者结构简单紧凑、数据处理容易，更加实用的优点，但是也存在制造、加工难度大、成本高、像素匹配问题。这与光子学的小型化、集成化发展趋势相悖。此外，大多数传统装置不能同时对线偏光和圆偏振光进行探测。

作为一种新型的人工表面结构，超表面可以在极薄的二维平面上实现对电磁波相位，振幅和偏振的精确调控，它具有紧凑性，坚固性和便携性等优点，这为偏振探测的发展带来新的机遇。研究显示超表面在偏振控制、波前调控方面具有明显的优势。例如基于介质型超表面通过对偏振的分离、聚焦已经实现了同时确定部分甚至所有偏振态。在功能的拓展上，已经提出采用交叉和分段排布方式实现分光偏振计，其能够同时表征偏振态和入射光的光谱。此外还有采用具有中心对称的扇形排布的偏振探测器，具有光束尺寸不变特性，以及出色的光谱分析能力。尽管现有的偏振探测器在功能和性能上都显示出良好的性能。但是入射光的方向被局限在固定角度，并不能满足实际的应用需求。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，利用二次相位设计聚焦相位，再通过校正的Stokes参数得到大角度入射光的偏振信息，实现大角度的偏振探测。

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大角度偏振探测超表面，包括自上而下的介质柱，介质衬底，通过对Stokes参数的修正实现对大角度入射光的偏振探测，视场可达±40°。

其中，所述上层介质柱的中心间隔为P，其取值范围为P<λ₀，λ₀为中心波长。

其中，所述上层介质柱的短轴为W，长轴为L，其取值范围为W<P，L<P，P为单元结构的周期，具体范围根据加工条件进行限制。

其中，所述上层介质柱的高度为h，取值范围无具体要求，但要确保扫描W、L，介质柱结构相位响应可以覆盖2π，并要具有一定的角度容差。

其中，所述超表面位相具有独立调控偏振态的能力，能够用于实现大角度偏振探测功能。

其中，该设计的结构简单，单片平面透镜即可实现大视场偏振探测。

本发明具有的有益效果在于：

本发明设计巧妙，结构简单、结构相位响应角度容差大，利用二次相位设计聚焦相位，得到大角度入射光的波前信息。此外，通过对Stokes参数的修正实现对大角度入射光的偏振探测，视场角可达±40°。本发明可以用于设计大角度的偏振探测、偏振成像、波前探测等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的超表面器件示意图。

图2为器件单元结构示意图。

图3为器件单元结构俯视图。

图4为实施例1大角度入射光偏振探测的仿真结果。入射光位于XZ面，0°到40°倾斜入射时，CST仿真的入射光波前结果。其中，圆点连线为通过焦点的偏移量获得的光波入射角度，对应坐标轴为左侧坐标轴。三角连线为计算的绝对误差，对应的坐标轴为右侧坐标轴。

图5为实施例1大角度入射光偏振探测的仿真结果。不同角度、偏振态入射情况下，仿真的Stocks参数。图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别代表0°、10°、20°、30°、40°入射时仿真的结果。图中从左到右依次对应入射水平(X)、垂直(Y)、+45°(A)、-45°(B)、左旋(L)、右旋(R)偏振光。

其中，图中所标序号含义为：1为介质柱，2为介质衬底。

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，设计的超表面实现对六个预设偏振态的调控，这里排布方式并不仅限于图中所示的2×3矩形阵列，例如扇形、交错排布等其他排列方式。其中单元结构如图2所示，该结构包括自上而下的介质柱1，介质衬底2，其中上层为高度h的介质结构。介质柱之间的周期间距为P，介质柱1的椭圆长轴为L，短轴为W，如图3所示。

结合上述结构，首先说明本发明实现大角度偏振探测的原理，如下：

此发明提出的大角度偏振探测器件，可以实现对大角度入射光的波前以及偏振探测。偏振探测采用Stokes矢量法。Stokes矢量由S₀、S₁、S₂、S₃四个光强参数描述，表示如下：

/>

其中，S₀代表总光强，S₁-S₃描述光的偏振态。后三个Stokes参数分别是入射光在三组正交基矢

下测量的光强差。六个基矢分别对应水平(X)、垂直(Y)、+45°(A)、-45°(B)、左旋(L)、右旋(R)偏振光。通常为了数据更加直观，对Stokes参数归一化处理，使它们的数值在±1范围内。为了描述任意光的偏振态，只需要在垂直于传播方向的平面内探测所有光强I_x、I_y、I_a、I_b、I_l、I_r。探测器位置固定于垂直于正入射的平面上，当光束斜入射时，无法直接得到实际的各偏振态光强，因此，要对Stokes参数进行修正。修正的宗旨是通过在垂直于正入射的平面上探测到的光强参数得到垂直于入射光坐标系的下的Stokes参数。计算过程中涉及到的坐标系均为笛卡尔坐标系，对方向的规定保持一致。

光的偏振态与它的传播方向有着密切的关系，修正过程需要准确地确定入射光的角度。因此，采用二次相位设计相位轮廓：

其中，k₀为自由空间中的波数，f为预设焦距，

为任意像素的中心点(x，y)与焦点中心的距离。假设入射准直光束位于XZ面内，与超透镜法线轴成任意角度θ，出射光所携带的相位应为：

其中k₀xsinθ为由斜入射引入的梯度相位，等式右边最后一项与r无关，可以忽略。与正入射相比，仅在x方向上存在fsinθ的横向偏移。二次相位将倾斜入射光的旋转效应转换为聚焦光束的平移对成性，由此可得到入射光波前信息。在此基础上，要实现同时对六个偏振态的光强测定，设计偏振探测超表面如图1所示，采用介质超表面同时控制偏振和相位。设计的超表面由六个子透镜组成，以2×3阵列形式排布，它们分别使一个特定的偏振态聚焦，排列方式可调整。这里选定的六个入射光偏振态为水平线偏振(X)，垂直线偏振(Y)，+45°线偏振态(A)，-45°线偏振态(B)、左(L)、右(R)旋圆偏振态。具体地，超表面中的单元结构如图2所示。大角度入射光经过超表面使不同的偏振态聚焦，在垂直于正入射的平面得到六个预设偏振态的聚焦光强。通过修正的Stokes参数可以得到大角度入射光的偏振态。

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，这里选择中红外波段大角度偏振探测超表面器件，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：介质柱1，介质衬底2，材料均选用硅。本实施例利用CST电磁仿真软件对器件的性能进行仿真测试。

对于设计调控线偏振的结构，采用传输相位的方法，即改变椭圆柱的长轴和短轴(L，W)来调节透射相位。在不影响效果的情况下为了减少计算量，相位选取采用八阶离散化方法。优化单元结构，使得大角度入射情况下可以实现0到2π的相位调控。为了实现大角度的探测，一个必要的条件是结构的相位响应要具有一定的角度容差。对于设计调控圆偏振的结构，采用几何相位的方法，即旋转角度以调节透射相位。优化的单元结构排成阵列形成子透镜，其中调控Y，A，B偏振光的子透镜是由调控X偏振光的子透镜简单旋转得到的。

接下来，设计子透镜由45×45个单元结构组成，数值孔径约为0.73。首先，利用优化的结构，在CST中仿真验证超表面对X偏振光的调控特性。准直入射光束位于XZ面，与超透镜法线轴夹角分别为0°、10°、20°、30°、40°。其次，通过数值仿真进行对比，将整个超表面离散化为521×521个像素点，根据聚焦相位Φ(r)得到每一个像素点的理想相位。实际结构的仿真与理想仿真的结果非常接近。同时，仿真得到的焦斑偏移量(fsinθ)可以计算出入射光角度，如图4所示，横坐标表示入射角度，圆点为计算得到的入射光波前，与实际入射角度非常接近，对应左侧坐标轴。三角形为计算的绝对误差，对应右侧坐标轴。绝对误差很小，证明我们的设计可以准确地得到入射光的波前信息。

为了证明超表面具有探测大角度入射光偏振信息的能力，集成如图1所示的超表面。任意一束沿XZ平面以θ角入射的单色平面波，其电场的振幅可以由琼斯矩阵表示为下式:

其中A′_x，A′_y，δ分别为水平与垂直电场分量的振幅及其相位差。

理论上的Stokes参数可表示为：

其中I′_x、I′_y、I′_a、I′_b、I′_l、I′_r为垂直于入射方向的平面内探测到的各预设偏振态光强。修正的Stokes参数如下：

其中I″_x、I″_y、I″_a、I″_b、I″_l、I″_r为探测器所在平面探测到的各偏振态光强，探测器位置固定于垂直于正入射的平面。

利用设计的整个超透镜仿真XZ平面正入射和斜入射光的聚焦情况，并根据修正的Stokes参数得到入射光的偏振信息。图5为大角度偏振探测器件的仿真结果，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别表示0°、10°、20°、30°、40°入射时，仿真得到的Stokes参数，每个图从左到右依次为X，Y，A，B，L，R偏振光入射情况。由于Stokes参数的第一项总光强归一化后为1，这里忽略了它。理论上入射的六个偏振态的Stokes参数归一化后分别为[1，0，0]^T，[-1，0，0]^T，[0，1，0]^T，[0，-1，0]^T，[0，0，1]^T，[0，0，-1]^T。此例，选择结构的透过率比较均衡，总光强接近理论情况的I′_x+I′_y＝I′_a+I′_b＝I′_l+I′_r，因此不需要进行透过率的校正。归一化时总光强由I_x″/cos²θ+I″表示，这使得计算更加方便、快速。仿真结果与理论基本吻合，但是随着角度的增大，误差也越来越大，这主要是由于结构在大角度入射时已经不是非常完美的八阶。

通过入射一个给定的椭圆偏振光，证实理论的可靠性。这里，以XZ面上25度角入射的椭圆偏振光入射，短轴与长轴的比值为0.6，因此，入射光的琼斯矩阵为：

理论计算得到的Stokes参数：S′＝[1.36a² 0.64a² 0 1.2a²]^T，归一化得到S′＝[1 0.4706 0 0.8824]^T。利用CST仿真，得到入射角为25.195°，归一化的Stokes参数S″＝[1 0.4269 -0.0130 0.8864]^T，这里定义平均误差

得到平均误差为0.02。

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。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：包括自上而下的介质柱(1)和介质衬底(2)，采用二次相位设计相位轮廓，所述介质柱间的相位响应具有一定的角度容差；通过对Stokes参数的修正实现对大角度入射光的偏振探测，视场可达±40°；

修正的Stokes参数如下：

其中I_x″、I_y″、I_a″、I_b″、I_l″、I_r″为探测器所在平面探测到的各偏振态光强，入射准直光束位于XZ面内，与超透镜法线轴成任意角度θ，探测器位置固定于垂直于正入射的平面。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：所述上层介质柱的周期间隔为P，其取值范围为P<λ₀，λ₀为中心波长。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：所述上层介质柱的短轴为W，长轴为L，其取值范围为W<P，L<P，P为单元结构的周期，具体范围根据加工条件进行限制。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：所述上层介质柱的高度为h，取值范围无具体要求，但要确保扫描W、L，介质柱结构相位响应可以覆盖2π，并要具有一定的角度容差。

5.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：所述超表面位相具有独立调控偏振态的能力，能够用于实现大角度偏振探测功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于介质柱结构的大角度偏振探测超表面，其特征在于：该设计的结构简单，单片平面透镜即可实现大视场偏振探测。

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