CN111596402B - 一种基于超构表面的多偏振态产生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超构表面的多偏振态产生器，包括金属反射层及依次形成于金属反射层上的SiO₂层和金属微结构层，金属微结构层包括多个周期性分布的结构单元，结构单元由N个呈直线排布的微结构组成，微结构选自预先设置的微结构库；微结构库中的微结构包括M个不同尺寸的L形结构和M个L形镜像结构；微结构具有可将正入射的特定响应波段的线偏振光转化为圆偏振光的偏振转换特性；多偏振态产生器还被构造为可将正入射的特定响应波段的线偏振光转变为至少两束沿不同角度出射的线偏振和/或圆偏振光束。本发明可以在特定响应波段下将正入射的线偏振光转变为两束或多束偏振态不同的光束并沿不同方向出射。

Description

一种基于超构表面的多偏振态产生器

技术领域

本发明属于光电信息功能器件与材料制备技术领域，具体涉及一种基于超构表面的多偏振态产生器。

背景技术

偏振态产生器可以将某特定偏振入射光转化为特定偏振态的出射光，而多偏振态的同时产生在量子计算和量子通信等方面都有着重大应用。过去人们常使用传统的双折射材料或手性材料制作偏振态产生器，以实现偏振态的改变，但因为其工作原理的限制，器件无法实现小型化。近年来超构材料、超构表面的出现为人们克服这个缺陷提供了新的思路，但是如何利用一种超构表面同时产生多种不同的偏振态(线偏振、圆偏振)出射一直是本领域的技术难题，目前仍然无法实现。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种基于超构表面的多偏振态产生器，可以在特定响应波段下将正入射的线偏振光转变为两束或多束偏振态不同的光束并沿不同方向出射。

本发明通过设计一种超构表面来实现多种不同偏振态产生功能，具体表现为将特定响应波段下正入射的线偏振光转变为多束偏振态各不相同的光束并沿不同角度出射，因此，又可将这种超构表面叫做多偏振产生器。本发明技术方案如下：

一种基于超构表面的多偏振态产生器，其特征在于，包括金属反射层及依次形成于金属反射层上的SiO₂层和金属微结构层；所述微结构层包括多个周期性分布的结构单元；所述结构单元由N 个呈直线排布的微结构组成，所述微结构选自预先设置的微结构库，相邻微结构之间的距离为D，结构单元的分布周期为T，T＝D×N；所述微结构库中的微结构包括M个不同尺寸的L形结构和M 个与L形结构镜像对称的L形镜像结构，所述L形结构两条边的长度和宽度均相等；所述微结构具有可将正入射的特定响应波段的线偏振光转化为圆偏振光的偏振转换特性，其中，M个L形结构或M个L形镜像结构产生的圆偏振光的附加相位以2π/M的间隔均匀覆盖2π，且M个L形镜像结构产生的圆偏振光手性与M个L形结构相反；所述多偏振态产生器还被构造为：可将正入射的特定响应波段的线偏振光转变为至少两束沿不同角度出射的线偏振和/或圆偏振光束。

作为一种优选方案，所述微结构库包括8个L形结构S_i和8个L形镜像结构S_i’，i＝1,2,…,8；其中，S_i用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右旋圆偏振态；S_i’用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左旋圆偏振态。

作为一种优选方案，所述特定响应波段为1250-1300nm时，所述L形结构S₁～S₈的边长和线宽依次为：500±10nm，145±10nm；410±10nm，40±10nm；235±10nm，50±10nm；300±10nm，30±10 nm；220±10nm，85±10nm；285±10nm，150±10nm；345±10nm，185±10nm；465±10nm，210±10nm；所述L形结构S1～S8的厚度为50±10nm；所述相邻微结构之间的距离D为700±20nm；所述S_iO₂层的厚度为200±10nm。

其中，所述结构单元及其对应的多偏振态产生器包括但不限于以下几种：

S₈,S₁,S₂’,S₇’,S₄,S₅,S₆’,S₃’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在 1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振；

S₁,S₈’,S₁,S₈’,S₅,S₄’,S₅,S₄’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在 1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为x方向线偏振、 y方向线偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振；

S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在 1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、x方向线偏振、y方向线偏振；

所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x方向和 y方向一致；所述+45°方向和-45°方向分别是指三维坐标系中x-y平面内与x方向夹角+45°的方向和 -45°的方向(角度逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)。

作为一种优选方案，所述特定响应波段为1200-1250nm时，所述L形结构S₁～S₈的边长和线宽依次为：230±10nm，125±10nm；270±10nm，125±10nm；310±10nm，80±10nm；290±10nm，30±10 nm；150±10nm，25±10nm；220±10nm，20±10nm；160±10nm，50±10nm；200±10nm，105±10nm；所述S₁～S₈的厚度为50±10nm；所述L形结构S₁～S₈的厚度为50±10nm；所述相邻微结构之间的距离D为400±20nm；所述S_iO₂层的厚度为110±10nm。

其中，所述结构单元中微结构的选取和排布方式包括但不限于以下几种：

S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在 1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右旋圆偏振、 y方向线偏振；

S₁,S₂,S₁’,S₆’,S₅,S₆,S₅’,S₂’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右旋圆偏振、 x方向线偏振；

所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x方向和y方向一致；所述+45°方向和-45°方向分别是指三维坐标系中x-y平面内与x方向夹角+45°的方向和 -45°的方向(角度逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)。

作为一种优选方案，所述金属反射层的厚度满足入射光全反射的要求。优选的，所述金属反射层的厚度为100±20nm。

作为一种优选方案，所述金属微结构层的材料包括银或金。

作为一种优选方案，所述金属反射层包括银膜或金膜。

本发明的有益效果是：

本发明构建的微结构库，包含8个L形结构S_i和8个L形镜像结构S_i’，其中8个用来产生在界面处附加相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右旋圆偏振态。将这8个结构做镜像对称，得到的另外8个结构用来产生相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左旋圆偏振态。因为结构单元中每个微结构均可以独立选取，所以在界面处产生圆偏振光的手性和附加相位可以任意调控，从原理上解决了左右旋偏振态相位调控不独立的问题。

通过选择不同的微结构，并在一个周期内设计特定的排列方式，可出射任意偏振态的光束，解决了现有技术中，无法利用一种超构表面同时产生多种不同的偏振态(线偏振、圆偏振)出射的技术问题。

附图说明

图1所示为L形结构的示意图。

图2所示为利用时域有限差分方法得到的微结构库{S_i}和{S_i’}中16个结构的模拟反射结果，其中，入射光是x方向线偏振光，沿-z方向传播，入射光波长设置为1300nm。结构单元由S_i或S_i’ (i＝1,2,…8)构成，沿着x和y方向周期性重复。图2中(a)和(b)是16个结构的模拟反射振幅比(y分量与x分量的比值)，图2中(c)和(d)是入射光分别与这16个结构作用后，反射电磁波y分量与x分量相位差的模拟结果。图2中(e)和(f)是微结构库中所有结构产生圆偏振光的附加相位φ的模拟结果。

图3-5所示为特定响应波段1250-1300nm时三种排列方式下多偏振态产生器分束的实验图，其中：(a)是制备样品的扫描电镜照片，图中标尺是1微米；(b)是1200nm到1350nm波长范围内宽角度衍射谱。测量区域是白色虚线两侧，对应角度变化范围是(-60°)-(-12°)和12°-60°；(c)是各级次衍射光特定偏振分量的反射谱；(d)是各级次衍射光光强比测量谱。

图6-7所示为特定响应波段1200-1250nm时两种排列方式下多偏振态产生器分束的实验图，其中：(a)、(b)是制备样品的扫描电镜照片，图中标尺是1微米；(c)是各级次衍射光特定偏振分量的反射谱；(d)是各级次衍射光光强比测量谱。

具体实施方式

本发明公开的一种基于超构表面的多偏振态产生器主要包括：金属反射层，以及依次形成于金属反射层上的S_iO₂介质层和微结构层。微结构层由多个周期性分布的结构单元组成，其材料是金属，满足在特定响应波段具有高反射、低吸收特征即可，通常可选择金、银等金属材料，且不要求金属反射层与微结构层的材料相同。结构单元由多个L形结构和L形结构的镜像结构(简称L形镜像结构)在平面上依次排列构成。同一L形结构的两条边(也可以称为臂)的长度相等，宽度相等。在入射光作用下，自由电子沿着L形结构或L形镜像结构的两臂振荡，形成两个具有时间延迟的振荡偶极子，这两个偶极子向外辐射电磁波。因为S_iO₂介质层的存在，总体反射可看作入射光与金属反射层作用后的反射光和微结构层的辐射光的相干叠加，其中，辐射光与微结构的几何尺寸、厚度、微结构间的间距密切相关，相干叠加则与二氧化硅层的厚度和入射光的波长有关。金属反射层的厚度通常并没有严格要求，但为提高衍射效率，这里我们选取的厚度满足入射光完全反射条件，例如，大于20nm。

需要说明的是，出射光的数量和偏振态主要与结构单元中选取的微结构本身、微结构数量、微结构排列方式、微结构排列顺序有关；各偏振光的出射方向则主要与结构单元中微结构的数量、微结构排列方式、入射光波长有关。微结构层中结构单元所包含的微结构可以完全不同，也可以有部分重复，也就是说，一个结构单元中，每一种微结构(L形或L形镜像结构)可以是一个，也可以有两个或多个，例如，一个结构单元可由以下结构构成：S₁,S₈’,S₁,S₈’,S₅,S₄’,S₅,S₄’，其中，S₈’和S₄’，均具有两个。

本发明中结构单元中的微结构均采用直线排列，结合图1所示，三维坐标系中，超构表面位于 x-y平面，L形结构的两条边分别与x方向和y方向一致。对于出射光的偏振态，x方向线偏振指的是沿三维坐标系中的x方向的线偏振，y方向线偏振指的是沿三维坐标系中的y方向的线偏振，+45°方向和-45°方向线偏振分别指沿三维坐标系中x-y平面内与x方向夹角+45°的方向和-45°的方向的线偏振(角度逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)。出射光均在x-z平面内，波矢不含y方向分量。

本发明构建一个包含16个微结构(8个L形结构及其镜像结构)的微结构库，其中8个微结构用来产生在微结构界面处(即微结构组成的二维平面)附加相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右旋圆偏振态，构成{S_i},i＝1,2,…,8。将这8个微结构做镜像对称，得到的另外8个微结构用来产生相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左旋圆偏振态，构成{S_i’},i＝1,2,…,8。组成微结构层中结构单元的微结构均从微结构库(包括{S_i}和{S_i’})中进行选取，并将选取的L形结构或L形镜像结构在平面上依次排列。通过选取合适几何尺寸的微结构并对其进行排序，理论上可以实现任意种类偏振态的出射。

本发明还针对1250-1300nm和1200-1250nm这两个特定响应波段分别设计了两个微结构库。对于第一个微结构库，其中L形结构及其镜像结构的特定响应波段是1250-1300nm。如表1所示，8 个L形结构的边长和线宽分别为：500±10nm，145±10nm；410±10nm，40±10nm；235±10nm，50±10 nm；300±10nm，30±10nm；220±10nm，85±10nm；285±10nm，150±10nm；345±10nm，185±10nm； 465±10nm，210±10nm。当对这8个L形结构做镜像对称时，可以获得另外8个L形镜像结构。每个结构单元内，相邻L形或L形镜像结构的间距为700±20nm。偏振器产生器结构单元重复周期为5600±160nm，微结构层(即微结构)的厚度为50±10nm。金属反射层的厚度为100±20nm，S_iO₂层的厚度为200±10nm。

表1所示为特定响应波段1250-1300nm时微结构库中16个结构的边长、线宽。其中|L>、|R>分别表示产生的左右旋圆偏振态。

表1

对于第二个微结构库，L形结构及其镜像结构的特定响应波段是1200-1250nm。如表2所示，所述8个L形结构的边长和线宽分别为：230±10nm，125±10nm；270±10nm，125±10nm；310±10nm， 80±10nm；290±10nm，30±10nm；150±10nm，25±10nm；220±10nm，20±10nm；160±10nm，50±10 nm；200±10nm，105±10nm。当对这8个L形结构做镜像对称时，可以获得另外8个L形镜像结构。每个结构单元内，相邻L形或L形镜像结构的间距为400±20nm。偏振器产生器结构单元重复周期为3200±160nm或1600±80nm，微结构层(即微结构)的厚度为50±10nm，金属反射层的厚度为100±20nm，S_iO₂层的厚度为110±10nm。

表2所示为特定响应波段1200-1250nm时微结构库中16个结构的边长、线宽。其中|L>、|R>分别表示产生的左右旋圆偏振态。

表2

以上以特定响应波段1250-1300nm和1200-1250nm为例，设计了基于超构表面的多偏振态产生器中各部分的尺寸参数，在实际应用时，因为最终出射光的偏振态与入射光的波长、微结构的尺寸(边长、线宽和厚度)，相邻微结构的间距以及S_iO₂层的厚度均密切相关，所以对于其它波段的入射光，微结构层的尺寸、间距及二氧化硅层的厚度等各参数可根据模拟软件模拟结果重新进行选取，以获得该波长下的微结构库。

基于上述微结构库，在具体应用时，可根据需求任意选择多个不同尺寸大小的L形或L形镜像结构进行组合排列，一共可提供(16⁸/8)种多偏振态产生器。实施例中公开五种基于金属超构表面的多偏振态产生器，包括1250-1300nm时的3种和1200-1250nm时的2种，结构单元内L形或L 形镜像结构的排列方式和出射电磁波偏振态列举如下：

1)S₈,S₁,S₂’,S₇’,S₄,S₅,S₆’,S₃’

1250-1300nm波段时，x方向线偏振电磁波正入射该超构表面，同时出射4束光，偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振。

2)S₁,S₈’,S₁,S₈’,S₅,S₄’,S₅,S₄’

1250-1300nm波段时，x方向线偏振电磁波正入射该超构表面，同时出射4束光，偏振态分别为x方向线偏振、y方向线偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振。

3)S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’

1250-1300nm波段时，x方向线偏振电磁波正入射该超构表面，同时出射4束光，偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、x方向线偏振、y方向线偏振。

4)S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’

1200-1250nm波段时，x方向线偏振电磁波正入射该超构表面，同时出射2束光，偏振态分别为右旋圆偏振、y方向线偏振。

请注意，上述3)和4)中，1250-1300nm波段和1200-1250nm波段时对应的微结构排列方式相同，但S₁至S₈的L形或L形镜像结构的大小不同。

5)S₁,S₂,S₁’,S₆’,S₅,S₆,S₅’,S₂’

1200-1250nm波段时，x方向线偏振电磁波正入射该超构表面，同时出射2束光，偏振态分别为右旋圆偏振、x方向线偏振。

为更清楚地说明本发明的技术方案，下面进一步结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释说明。

如图1所示，由L形和L形镜像结构组成的多偏振态产生器，包括：金属反射层；镀在金属反射层上的S_iO₂层；微结构层。所述微结构层由多个周期性分布的多偏振态产生器结构单元组成，每个结构单元具有8个选自微结构库中的微结构。金属反射层和微结构层的材料均为金。

在响应波段为1250-1300nm时，设计微结构库中的8个L形结构边长l和线宽w分别为500nm， 145nm；410nm，40nm；235nm，50nm；300nm，30nm；220nm，85nm；285nm，150nm；345nm，185nm； 465nm，210nm。厚度h₃为50nm。每个结构单元内相邻微结构的间距为700nm。当对这8个微结构做镜像对称操作时，可以获得另外8个结构。结构单元重复周期为5600nm，S_iO₂层的厚度h₂为 200nm，金属反射层的厚度h₁为100nm。

在响应波段为1200-1250nm时，设计微结构库中的8个L形结构边长l和线宽w分别为230nm， 125nm；270nm，125nm；310nm，80nm；290nm，30nm；150nm，25nm；220nm，20nm；160nm，50nm； 200nm，105nm。厚度h₃为50nm。每个结构单元内相邻微结构的间距为400nm。当对这8个微结构做镜像对称操作时，可以获得另外8个结构。结构单元重复周期为3200nm，S_iO₂层的厚度h₂为 110nm，金属反射层的厚度h₁是100nm。

需要说明的是，结构单元的重复周期与结构单元内L形和L形镜像结构的数量及相邻结构的间距直接相关，即重复周期等于一个结构单元中L形和L形镜像结构的数量与相邻结构的间距的乘积，因此，从整体上看，L形和L形镜像结构在S_iO₂层表面均匀分布。

图2是利用时域有限差分方法得到的微结构库(包括{S_i}和{S_i’})中16个结构的模拟反射结果。在模拟过程中，入射光是x方向线偏振光，沿-z方向传播，入射光波长设置为1300nm。结构单元中的微结构选自S_i或S_i’(i＝1,2,…8)，并沿着x和y方向周期性重复。图2中(a)和(b)是16个微结构的模拟反射振幅比(y分量与x分量的比值)，图2中(c)和(d)是入射光分别与这16个微结构作用后，反射电磁波y分量与x分量相位差的模拟结果。可以看到，当微结构属于微结构库中{S_i}时，反射光的x分量振幅与y分量振幅相等，而x方向分量相位超前90°，这意味着S_i产生右旋圆偏振光；当微结构属于微结构库中{S_i’}时，反射光的x分量振幅与y分量振幅相等，而y方向分量相位超前 90°，这意味着S_i’产生左旋圆偏振光。图2中(e)和(f)是微结构库中所有微结构产生圆偏振光的附加相位φ。可以看到，属于{S_i}和{S_i’}的微结构产生的右(左)旋圆偏振光的附加相位φ从0到7π/4均匀递增，间隔π/4。图2的模拟结果表明，当入射光为x方向线偏振时，微结构库中的微结构均反射圆偏振光，并带有附加相位φ。

从图2模拟结果可得，微结构库中的16个微结构均具有良好的偏振转换特性，可以将入射的线偏振光转化为圆偏振光。圆偏振光的附加相位可以通过改变微结构的边长和线宽进行调节。圆偏振态的手性可以通过对微结构做镜像对称操作进行改变。因为左右旋圆偏振态分别由不同的微结构产生，因此在界面处这两种手性的圆偏振态的相位分布可以进行独立设计。这时，当L形及L形镜像结构以特定顺序排列时，在入射x方向线偏振光的条件下，每个微结构辐射的电磁波进行叠加，就可以在多个方向获得偏振态各异的出射光。

实验上我们制备了多个样品并对其进行光学测量，具体见实施例1至5。实施例中所公开的多偏振态产生器，具体制备方法是：利用电子束蒸发的方法制备厚度为100nm的金属反射层；利用气相沉积的方法在金属反射层表面蒸镀200nm的SiO₂；利用旋涂法在SiO₂表面形成电子束胶膜；利用电子束曝光技术在电子束胶上制备形结构的反结构；采用电子束蒸发技术在电子束胶表面蒸镀厚50nm的金属膜；利用除胶剂除去未曝光部分的电子束胶。

对制备的样品的具体测量过程是：选用超连续白光激光器作为光源，以提供400-2400nm波长的宽带光源，光源的入射光通过线偏振片成为水平(x)方向线偏振光。线偏振光通过透镜聚焦在样品上，出射光通过透镜，被安装在转动台上的近红外光纤光谱仪收集。角度测量范围为(-60°)-(-12°) 和12°-60°。当测量出射光线偏振分量时，光谱仪前放置线偏振片；当测量出射光圆偏振分量时，光谱仪前依次放置四分之一波片和线偏振片。

在实验过程中，我们定义参数光强比并用其描述产生偏振态的纯度。对于线偏振光，光强比定义为该偏振方向与垂直线偏振方向光强的比值；对于圆偏振光，光强比定义为该手性圆偏振分量与相反手性圆偏振分量光强的比值。理论上，对于纯的线偏振/圆偏振态，该值为+∞，然而实验中另一个分量并不能完全消除。光强比越大，意味着结构单元中每一个微结构反射电磁波的振幅、相位越准确，在特定方向获得的电磁波偏振态与理论值越相符。实验中，我们定义光强比大于8即获得与理论值相符合的电磁波偏振态。

实施例1：本实施例中微结构的特定响应波段1250-1300nm位于近红外波段，图3是第1种排列方式下的多偏振态产生器分束的实验图。图3中(a)是制备样品的扫描电镜照片，该偏振发生器的结构单元中有8个微结构，分别对应S₈,S₁,S₂’,S₇’,S₄,S₅,S₆’,S₃’。图3中(b)是1200nm到1350nm 波长范围内的宽角度衍射谱，角度测量范围为(-60°)-(-12°)和12°-60°(白色虚线两侧的区域)，图中的颜色反映了反射率(反射光强度/入射光强度)的强弱。该衍射光空间分布表明在1250-1300nm 波段，四束沿着+3，+1，-1，-3级次的衍射光同时产生，而偶数级次消光。图3中(c)是四束反射光强度的实验测量结果，I_R,+1表示+1级右旋圆偏振分量的反射率，I_-45°,-1表示-1级-45°偏振分量的反射率，I_+45°,+3表示+3级+45°偏振分量的反射率，I_L,-3表示-3级左旋圆偏振分量的反射率，在 1250-1300nm波长范围内，每束光的反射率均大于8％，且总反射率高于58％，其中，在波长1300nm 时，每束光的反射率大于16％，总反射率高于68％。图3中(d)是四束光光强比的实验测量结果，I_R,+1/ I_L,+1表示+1级右旋圆偏振分量与左旋分量反射率的比值，I_-45°,-1/I_45°,-1表示-1级-45°偏振分量与+45°偏振分量反射率的比值，I_+45°,+3/I_-45°,+3表示+3级+45°偏振分量与-45°偏振分量反射率的比值，I_L,-3/I_R,-3表示-3级左旋圆偏振分量与右旋分量反射率的比值，在1250-1300nm波长范围内，每束光的光强比均大于10，且最大值达到76，说明产生的四束光中各束的偏振态与设计基本符合。上述实验结果表明在1250-1300nm波段，该超构表面可以同时产生四束光，偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振，超出此范围虽仍可出射四束光，但光强比明显降低，偏振态不再满足要求。

实施例2：图4是第2种排列方式下多偏振态产生器分束的实验图，特定响应波段是1250-1300nm。图4中(a)是制备样品的扫描电镜照片，一个偏振分束器结构单元中有8个微结构，分别对应S₁,S₈’,S₁,S₈’,S₅,S₄’,S₅,S₄’。图4中(b)是1200nm到1350nm波长范围内的宽角度衍射谱，角度测量范围为(-60°)-(-12°)和12°-60°(白色虚线两侧的区域)，该衍射光空间分布表明在 1250-1300nm，四束沿着+3，+1，-1，-3级次的衍射光同时产生，而偶数级次消光。图4中(c)是四束反射光强度的实验测量结果。I_+45°,+1表示+1级+45°偏振的反射率，I_x,-1表示-1级x偏振的反射率, I_y,+3表示+3级y偏振的反射率,I_-45°,-3表示-3级-45°偏振的反射率，在1250-1300nm波长范围内，每束光的反射率均大于10％，且总反射率高于50％，其中，在波长1300nm时，每束光的反射率大于 12％，总反射率高于65％。图4中(d)是四束光光强比的实验测量结果，I_+45°,+1/I_-45°,+1表示+1级+45°分量与-45°分量反射率的比值，I_x,-1/I_y,-1表示-1级x偏振分量与y偏振分量反射率的比值，I_y,+3/I_x,+3表示+3级y偏振分量与x偏振分量反射率的比值，I_-45°,-3/I_+45°,-3表示-3级-45°分量与+45°分量反射率的比值，在1250-1300nm波长范围内，每束光的光强比均大于8，且最大值达到175。上述实验结果表明在1250-1300nm时，该超构表面可以同时产生四束光，偏振态分别为x方向线偏振、y方向线偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振。

实施例3：图5是第3种排列方式下多偏振态产生器分束的实验、模拟图，特定响应波段是 1250-1300nm。图5中(a)是制备样品的扫描电镜照片，一个偏振分束器结构单元中有8个微结构，分别对应S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’。图5中(b)是1200nm到1350nm波长范围内的宽角度衍射谱，角度测量范围为(-60°)-(-12°)和12°-60°(白色虚线两侧的区域)，该衍射光空间分布表明在 1250-1300nm，四束沿着+3，+1，-1，-3级次的衍射光同时产生，而偶数级次消光。图5中(c)是四束反射光强度的实验测量结果，I_R,+1表示+1级右旋圆偏振的反射率，I_y,-1表示-1级y偏振的反射率, I_x,+3表示+3级x偏振的反射率,I_L,-3表示-3级左旋圆偏振的反射率，在1250-1300nm波长范围内，每束光的反射率均大于8％，且总反射率高于55％，其中，在波长1300nm时，每束光的反射率大于14％，总反射率高于62％。图5中(d)是四束光光强比的实验测量结果，I_R,+1/I_L,+1表示+1级右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量反射率的比值，I_y,-1/I_x,-1表示-1级y偏振分量与x偏振分量反射率的比值，I_x,+3/I_y,+3表示+3级x偏振分量与y偏振分量反射率的比值，I_L,-3/I_R,-3表示-3级左旋圆偏振分量与右旋圆偏振分量反射率的比值，在1250-1300nm波长范围内，每束光的光强比均大于8，且最大值达到74。上述实验结果表明在1250-1300nm波长范围内，该超构表面可以同时产生四束光，偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、x方向线偏振、y方向线偏振。

实施例1、2、3的实验结果表明，从微结构库中选取8个微结构进行特定顺序的排列，组成多偏振态产生器结构单元，可以产生4束偏振态不同的光沿着不同方向出射，且在波长为1300nm时，响应效果相对最好。

实施例4：图6是第4种排列方式下多偏振态产生器分束的实验、模拟图，特定响应波段 1200-1250nm。此时微结构均从第二个微结构库中进行选取，对应的L形及其镜像结构重复周期为 3200nm。根据光栅方程，允许出射的级次是0，±1，±2级。偶数级次衍射光通过结构排列进行消除，因此出射级次只有±1级，仅产生两束光。图6中(a)、(b)是制备样品的扫描电镜照片，一个偏振分束器结构单元中有8个微结构，分别对应S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’。图6中(c)是两束反射光强度的实验测量结果，I_R,+1表示+1级右旋圆偏振的反射率，I_y,-1表示-1级y偏振的反射率，在 1200-1250nm波长范围内，每束光的反射率均大于8％，且总反射率高于23％，其中，在波长1200nm 时，每束光的反射率大于15％，总反射率高于34％。图6中(d)是2束光光强比的实验测量结果，I_R,+1/ I_L,+1表示+1级右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量反射率的比值，I_y,-1/I_x,-1表示-1级y偏振分量与x 偏振分量反射率的比值，在1200-1250nm波长范围内，每束光的光强比均大于8，且最大值达到106。上述实验结果表明在1200-1250nm波长范围内，该超构表面可以同时产生2束光，偏振态分别为右旋圆偏振、y方向线偏振。

实施例5：图7是第5种排列方式下多偏振态产生器分束的实验、模拟图，特定响应波段 1200-1250nm。此时结构均从第二个微结构中进行选取，对应的L形及其镜像结构重复周期为 3200nm，出射级次只有±1级，仅产生两束光。图7中(a)(b)是制备样品的扫描电镜照片，一个偏振分束器结构单元中有8个微结构，分别对应S₁,S₂,S₁’,S₆’,S₅,S₆,S₅’,S₂’。图7中(c)是两束反射光强度的实验测量结果，I_R,+1表示+1级右旋圆偏振的反射率，I_x,-1表示-1级x偏振的反射率，在 1200-1250nm波长范围内，每束光的反射率均大于15％，且总反射率高于35％，其中，在波长1200nm 时，每束光的反射率大于18％，总反射率高于38％。图7中(d)是2束光光强比的实验测量结果，I_R,+1/ I_L,+1表示+1级右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量反射率的比值，I_x,-1/I_y,-1表示-1级x偏振分量与y 偏振分量反射率的比值，在1200-1250nm波长范围内，每束光的光强比均大于10，且最大值达到 150。上述实验结果表明在1200-1250nm波长范围内，该超构表面可以同时产生2束光，偏振态分别为右旋圆偏振、x方向线偏振。

实施例4、5的实验结果表明，从响应波段1200-1250nm时的16个微结构中选取8个进行排列，组成多偏振态产生器结构单元，可以产生2束偏振态不同的光沿着不同方向出射，且在波长为 1200nm时，响应效果相对最好。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。通过改变相邻微结构的间距、结构尺寸、SiO₂层的厚度我们可以在不同波段实现类似的偏振产生。当改变微结构的选取和排列顺序时，我们可以设计更多的超构表面，产生多束任意的偏振光。本发明所属技术领域中，具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于超构表面的多偏振态产生器，其特征在于，包括金属反射层及依次形成于金属反射层上的SiO₂层和金属微结构层；

所述金属微结构层包括多个周期性分布的结构单元；所述结构单元由N个呈直线排布的微结构组成，所述微结构选自预先设置的微结构库，相邻微结构之间的距离为D，结构单元的分布周期为T，T＝D×N；

所述微结构库中的微结构包括M个不同尺寸的L形结构和M个与L形结构镜像对称的L形镜像结构，所述L形结构两条边的长度和宽度均相等；所述微结构具有可将正入射的特定响应波段的线偏振光转化为圆偏振光的偏振转换特性，其中，M个L形结构或M个L形镜像结构产生的圆偏振光的附加相位以2π/M的间隔均匀覆盖2π，且M个L形镜像结构产生的圆偏振光手性与M个L形结构相反；

所述多偏振态产生器还被构造为可将正入射的特定响应波段的线偏振光转变为至少两束沿不同角度出射的线偏振和/或圆偏振光束。

2.根据权利要求1所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述微结构库包括8个L形结构S_i和8个L形镜像结构S_i’，i＝1,2,…,8；其中，S_i用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右旋圆偏振态；S_i’用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左旋圆偏振态。

3.根据权利要求2所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述特定响应波段为1250-1300nm时，所述L形结构S₁～S₈的边长和线宽依次为：

500±10nm，145±10nm；410±10nm，40±10nm；235±10nm，50±10nm；300±10nm，30±10nm；

220±10nm，85±10nm；285±10nm，150±10nm；345±10nm，185±10nm；465±10nm，210±10nm；

所述L形结构S₁～S₈的厚度为50±10nm；

所述相邻微结构之间的距离D为700±20nm；

所述S_iO₂层的厚度为200±10nm。

4.根据权利要求3所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述结构单元及其对应的多偏振态产生器包括以下几种：

1)S₈,S₁,S₂’,S₇’,S₄,S₅,S₆’,S₃’；

所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振；

2)S₁,S₈’,S₁,S₈’,S₅,S₄’,S₅,S₄’；

所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为x方向线偏振、y方向线偏振、+45°方向线偏振、-45°方向线偏振；

3)S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’；

所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左旋圆偏振、右旋圆偏振、x方向线偏振、y方向线偏振；

所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x方向和y方向一致；所述+45°方向和-45°方向分别是指三维坐标系中x-y平面内与x方向夹角+45°的方向和-45°的方向。

5.根据权利要求2所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述特定响应波段为1200-1250nm时，所述L形结构S₁～S₈的边长和线宽依次为：

230±10nm，125±10nm；270±10nm，125±10nm；310±10nm，80±10nm；290±10nm，30±10nm；

150±10nm，25±10nm；220±10nm，20±10nm；160±10nm，50±10nm；200±10nm，105±10nm；

所述S₁～S₈的厚度为50±10nm；

所述L形结构S₁～S₈的厚度为50±10nm；

所述相邻微结构之间的距离D为400±20nm；

所述S_iO₂层的厚度为110±10nm。

6.根据权利要求5所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述结构单元中微结构的选取和排布方式包括以下几种：

1)S₁,S₂,S₅’,S₂’,S₅,S₆,S₁’,S₆’；

所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右旋圆偏振、y方向线偏振；

2)S₁,S₂,S₁’,S₆’,S₅,S₆,S₅’,S₂’；

所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范围在1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右旋圆偏振、x方向线偏振；

所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x方向和y方向一致。

7.根据权利要求1所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述金属反射层的厚度满足入射光全反射的要求。

8.根据权利要求7所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述金属反射层的厚度为100±20nm。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述金属微结构层的材料为金属银或金属金。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的多偏振态产生器，其特征在于，所述金属反射层均为银膜或金膜。

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