CN112904469A - 一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，包括电介质基底、电介质纳米砖阵列。通过对具有任意偏振二向色性平面结构琼斯矩阵进行数学分析得到解析表达式，利用双原子电介质纳米砖的组合实现任意偏振起偏器件的琼斯矩阵。该任意偏振起偏器件选择性地允许特定的偏振态通过并转化为手性相反的偏振态，其正交偏振态将完全被阻止透过。该器件具有完美的工作性能，在仿真模拟上任意偏振态二向色性参数可达到100％，并且实验上也获得了高于90％的结果。由于所设计的器件的二向色性参量接近100％，使得出射光的偏振不受入射光偏振态的限制，赋予该器件工作在非偏振光下的能力。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件。
背景技术
偏振作为光场的重要性质之一，在光与物质相互作用中扮演者重要的角色，对偏振的调制在成像、数据存储、光传感和光通信等领域有着重要的应用。线偏振片是一种可以过滤入射光中的垂直偏振片光轴振动分量的光学器件，其在偏振产生和操控领域具有重要的作用。然而对于位于庞加莱球上的任意偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。在光学超构表面的研究中，超构表面对散射光波偏振的调制通常是基于各项异性结构对偏振态的响应，将特定的入射光偏振光分解为正交的线偏振态，正交的线偏振态通过各项异性结构之后携带了不同的延迟相位，进而叠加为其他的偏振态。调整各项异性纳米结构参数可以对正交线偏振光施加不同的振幅与相位，进而对出射光偏振态进行调制。基于该方法产生的偏振态受到入射光偏振态的强烈影响，往往需要借助额外的偏振器件例如偏振片或波片对入射光场的偏振进行限制。近年来，基于具有较大光学手性响应的3D结构制作的圆偏振态起偏器被多次报道。同时，为了更进一步地减小器件的尺寸，相对于3D结构具有易加工、易于片上集成、面内手性等诸多特点的平面结构被提出，例如鱼状结构、非对称分离环、L型和Z型结构。在对面内手性结构的研究中，一些新的现象被发现，例如圆偏振转化二向色性和非对称传输，具体表现为一种圆偏振态允许通过该器件，透射光的手性发生反转，另一种圆偏振态被阻止透过。该现象赋予了面内手性结构作为圆偏振态的起偏器件的潜力。但是偏振态中更一般情况的椭圆偏振起偏器件依然空缺，如何设计一种不受入射光偏振影响的任意偏振态起偏器件成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件。该器件工作时选择性地允许特定的偏振态通过并转化为手性相反的偏振态，其正交的偏振态将被完全地阻止透过。该器件具有完美的工作性能，仿真模拟上任意偏振态二向色性参数可达到100％，并且实验上也获得了高于90％的结果。由于该器件具有优异的二向色性性能，使得出射光的偏振不受入射光偏振态的限制，赋予该器件工作在非偏振光下的能力。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，所述的任意偏振态起偏器件包括电介质基底、电介质纳米砖阵列，所述的电介质纳米砖阵列由一系列的双原子超构分子组成，所述的双原子超构分子由具有一定夹角的两个纳米砖构成，所述的电介质纳米砖阵列位于电介质基底之上，通过调控纳米砖的尺寸与夹角，可以只允许任意一对正交偏振态中一个分量透过，而阻止该对正交偏振态中与其正交的偏振态透过，使得该超构表面具有任意偏振态的二向色性，进而通过设计超构表面的结构可以用来产生任意的偏振态。其中，所述的一对正交偏振态包括线偏振态、圆偏振态及椭圆偏振态。
进一步地，所述的电介质纳米砖的材质为高折射率电介质材料。
进一步地，所述的双原子超构分子由两个不同尺寸、不同面内方向角、面内不相交的电介质纳米砖构成。
进一步地，所述的双原子超构分子通过调控纳米砖的尺寸与夹角可以选择性的允许一对正交偏振态中一个偏振态通过，并将其转化为手性相反的偏振态，同时，该对正交偏振态中的与其正交偏振态将被完全阻止通过。
进一步地，所述的双原子超构分子中第一个电介质纳米砖施加的相位为-2χ和2χ，旋转方向为ψ-45°；第二个电介质纳米砖施加的相位为0和π，旋转方向为ψ；ψ和χ分别为允许透过偏振态的主轴方向与椭偏度。
进一步地，所述的电介质纳米砖阵列对偏振态的选择透过性由双原子超构分子中两个电介质纳米砖对出射光调制的相位对远场干涉情况的影响决定。
进一步地，所述的双原子超构分子的旋转角与产生偏振态的主轴方向有关，旋转超构表面可控制出射偏振态的主轴方向，而不影响偏振态的椭偏度。
进一步地，所述的任意偏振态起偏器件在工作时对入射光的偏振态没有要求，即产生的偏振态不受入射光的偏振态影响，所述的任意偏振态起偏器件可工作在非偏振光下，例如自然光。
进一步地，所述的双原子超构分子实现的任意偏振态二向色性的功能由内部的两个电介质纳米砖的结构参数与方向角决定。
进一步地，所述的双原子超构分子的周期为340nm，电介质纳米砖的高度为300nm。
进一步地，所述的电介质基底的材料为三氧化二铝或二氧化硅；所述的电介质纳米砖的材料为晶体硅、二氧化钛和氮化硅中的一种。
进一步地，所述的电介质纳米砖阵列的厚度为亚微米量级。
本发明的技术原理如下：
任意的一种偏振态皆可由一对正交的偏振基矢量叠加而成，基矢量可以选择为正交线偏振态、手性相反的圆偏振态，甚至是一对任意的正交椭圆偏态。一对正交偏振态可以由偏振的主轴方向ψ与椭偏度χ描述。针对于任意的偏振态α(ψ,χ)，其正交偏振态β的偏振态主轴与偏振态α保持垂直，椭偏度互为相反数，即β(ψ-90°，-χ)。偏振态α和β的具体表示如下：
与偏振α和β手性相反的偏振态可表示为α*和β*，其中*表示共轭操作，具体表示如下
由于平面结构沿Z轴具有对称属性，导致平面结构的琼斯矩阵为一个二阶张量，其中副对角线的两个参量保持一致，可表示为
其中R(θ)表示旋转平面结构度数为θ。入射光α和β照射该平面结构时，出射光的透射转化为其手性相反偏振态α*和β*的琼斯矩阵为
其中tji表示入射光偏振态i向出射光偏振态j的转化系数。通过将公式1-5带入公式6可得到：当θ＝ψ-45°，a＝be-2iχ,c＝be2iχ和b＝0.5时有tα*α＝1，tβ*α＝tα*β＝tβ*β＝0，表示此时的琼斯矩阵选择性地允许特定的偏振态α通过并转化为手性相反的偏振态α*，其正交的偏振态β将被完全地阻止透过。描述平面结构的琼斯矩阵变为：
公式7只是描述任意偏振二向色性琼斯矩阵(公式6)的特解，并非唯一解。通过适当地选择超构表面琼斯矩阵(公式5)可以得到其他形式解析表达式。通过对琼斯矩阵拆分，可以得到
该琼斯矩阵的两部分分别表示具有方向角ψ-45°和ψ的两个各向异性单元。可以采用两个各向异性的电介质纳米砖的组合实现以上任意偏振态二向色性的琼斯矩阵(公式8)，其中第一个电介质纳米砖施加的相位为-2χ和2χ，光轴方向为ψ-45°；第二个电介质纳米砖施加的相位为0和π，光轴方向为ψ。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明的电介质纳米砖阵列的高度和周期均为纳米量级的，故本发明的具有体积小，重量轻，更紧凑的优点，具备可集成的潜力。
2)本发明的双原子超构表面结构采用低吸受的高折射率电介质材料，通过精心设计双原子电介质纳米砖的结构参数与排布方式可以使超构表面工作在任意偏振态下，包括线偏振态、圆偏振态及椭圆偏振态。
3)本发明对光偏振态的调节是基于任意偏振态二向色性，选择性地允许任意一对正交偏振态中一个分量透过，而阻止该对正交偏振态中与其正交的偏振态透过。故改变入射光的偏振态，出射光的偏振态保持不变。这与基于双折射原理调控出射光偏振态的超构表面偏振器件有着物理本质上的区别。
4)本发明提出的双原子超构表面工作在任意偏振下的二向色性参量接近100％，赋予了双原子超构表面工作在非偏振光下的能力，将非偏振光转化为任意的偏振态，而不需要搭配限制入射偏振态的额外的偏振器件。故本发明可进一步地提高偏振光学器件的集成度。
附图说明
图1是本发明实施例中与入射偏振态无关的任意偏振态起偏器件的工作示意图；
图2是本发明实施例中与入射偏振态无关的椭圆偏振起偏器件的超构分子顶视图；
图3是本发明实施例中正交偏振入射光照射双原子超构表面时的透射与反射情况示意图；
图4是本发明实施例中各个偏振态二向色性与入射波长的关系图，其中，图4(a)是椭圆偏振态二向色性与入射波长的关系图，图4(b)是线偏振态二向色性与入射波长的关系图，图4(c)是圆偏振态二向色性与入射波长的关系图；
图5是本发明实施例中任意偏振态起偏器件工作在非偏振光入射光时的光路图；
图6是本发明实施例中非偏振光照射各偏振二向色性超构表面时，透射光的偏振度与偏振态的示意图，其中，图6(a)是非偏振光照射椭圆偏振二向色性超构表面时，透射光的偏振度与偏振态示意图；图6(b)是非偏振光照射线偏振二向色性超构表面时，透射光的偏振度与偏振态示意图；图6(c)是非偏振光照射圆偏振二向色性超构表面时，透射光的偏振度与偏振态示意图；
图中，1-非偏振入射光，2-双原子超构分子阵列，3-电介质基底，4-预先设定的偏振出射光，5-第一电介质纳米砖，6-第二电介质纳米砖，7-LED发光二极管提供的非偏振入射光，8-任意偏振态起偏器件，9-可见光波段的1/4λ波片，10-可见光波段的偏振片，11-聚焦透镜，12-光谱仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种与入射光的偏振态无关的任意偏振态起偏器件的工作示意图，包括电介质纳米砖阵列2、电介质基底3，通过在电介质基底上适当地调整电介质纳米砖的尺寸参数与面内旋向角进而调制正交入射偏振光在远场的干涉，可实现任意偏振的二向色性，得到本实施例提出的超构表面偏振起偏器件。
其中，电介质纳米砖的尺寸为纳米量级，由于晶体硅在可见光波段具有高折射率与低吸收性质，所以本实施例采用晶体硅材料来制作电介质纳米砖，电介质纳米砖结构由电子束刻蚀得到，电介质基底的制作材料为蓝宝石。本实施例利用超构分子中单个电介质纳米砖可以对不同偏振态的施加不同的相位，通过调控电介质纳米砖的长度、宽度和高度对散射光的相位进行调制，使一个任意的偏振态α通过两个电介质纳米砖后干涉相长进而穿过偏振态起偏器件，而它的正交偏振态β通过两个电介质纳米砖后的相位之差为π，光场干涉相消，进而无法通过双原子超构表面，实现任意偏振起偏功能。
图2所示为与入射偏振态无关的任意偏振态起偏器件的超构分子顶视图，超构分子包括两个电介质纳米砖5和6。在本实施例中双原子超构分子的周期p＝340nm，以双原子超构分子左上角为原点，两个电介质纳米砖分别位于(255nm，255nm)和(85nm，85nm)处，电介质纳米砖的高度均为300nm，长度分别为l1＝130nm和l2＝165nm，宽度分别为w1＝75nm和w2＝100nm，电介质纳米砖在面内方向角分别为θ1＝22.5°和θ2＝112.5°，取短边的方向为方向角θ。在设定波长λ＝633nm处，偏振方向分别沿单个电介质纳米砖5的短边和场边的电场分量通过电介质纳米砖后的相位调制为-π/4和π/4，则可以得到描述电介质纳米砖的透射光场特性的琼斯矩阵为：
偏振方向分别沿单个电介质纳米砖6的短边和长边的电场分量通过电介质纳米砖后的相位调制为0和π，则可以得到描述电介质纳米砖的透射光场特性的琼斯矩阵为：
将第一电介质纳米砖5和第二电介质纳米砖6组合形成双原子超构分子，由双原子超构分子阵列组合形成双原子超构表面的琼斯矩阵可描述为
此时椭圆偏振态α(ψ＝112.5°,χ＝22.5°)以及其正交椭圆偏振态β(ψ-90°＝22.5°,-χ＝-22.5°)分别照射双原子超构表面时的透射情况可描述为：
由上式可以得到偏振态α照射双原子超构分子阵列结构时，将穿过该结构，透射光偏振态的手性与入射光的手性发生反转。然而偏振态β照射双原子超构分子阵列结构时，透射光强为零，如图3所示，由此可得双原子超构分子阵列结构可以用于产生偏振α*，且出射光偏振态不随入射光的偏振态变化而变化。由于一束任意偏振入射光可描述为正交偏振态α和β的叠加态，该结构只允许偏振态α透过，并转化为其手性相反的偏振态α*，所以偏振态α*的产生效率由入射光在偏振态α上的投影大小决定。
图4(a)所示为正交椭圆偏振态α(ψ＝112.5°,χ＝22.5°)和β(ψ-90°＝22.5°,-χ＝-22.5°)的透射谱线。由图可知，在设定的波长处λ＝633nm，偏振态α的透过率大于90％，而偏振态β的透过率接近于零。该器件的二向色性性能由偏振态α和偏振β的透射率只差与之和的表示，即PD＝(Tα-Tβ)/(Tα+Tβ)，在设定的波长处接近100％，该结果表明该器件具有完美的二向色性。椭圆箭头表示入射光的偏振态与透射光的偏振态，偏振态α入射光高效地转为了其手性相反的偏振态α*。
改变电介质纳米砖的长和宽可以实现圆偏振态和线偏振态的二向色性。当双原子超构表面中电介质纳米砖的长度分别为l1＝95nm和l2＝145nm，宽度分别为w1＝95nm和w2＝80nm时，此时双原子超构表面的琼斯矩阵为：
线偏振方向沿112.5°度的入射光将穿过双原子超构表面，而其正交线偏振态入射光的透过率接近于零，这对正交线偏振态的偏振态、透射率和二向色性谱线如图4(b)所示。当双原子超构表面中电介质纳米砖的长度分别为l1＝160nm和l2＝165nm，宽度分别为w1＝75nm和w2＝100nm时，此时双原子超构表面的琼斯矩阵为：
正交圆偏振态的透射率和圆偏振二向色性谱线如图4(c)所示。右旋圆偏振入射光α(ψ＝112.5°,χ＝45°)将穿过双原子超构表面并转化为左旋圆偏振态，而左旋圆偏振态入射光β(ψ＝112.5°,χ＝-45°)的透过率接近于零。
由于任意的偏振态皆可表示一对正交偏振态的叠加态，该特性赋予了基于完美二向色性的偏振起偏器件可以工作在非偏振态在的能力，在实施例中采取了LED发光二极管作为非偏振态的光源7，利用LED发光二极管照射所设计的双原子超构表面8，利用1/4λ波片9和线偏振片10的组合对出射光的斯托克斯参量进行测量，进而得到出射光的偏振态度(DOP)与偏振态情况，光路如图5所示。LED发光二极管光源分别照射椭圆偏振态、线偏振态以及圆偏振态二向色性的双原子超构表面时，出射光的偏振度谱线(DOP)分别由图6(a)-图6(c)表示。在设计波长633nm处出射光的偏振态分别由箭头表示，分别为椭圆偏振态、线偏振态以及近似圆偏振态。该结果表明，基于二向色性的双原子超构表面可以在非偏振光照射下产生任意的偏振态，包括椭圆偏振态、圆偏振态以及线偏振态。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的任意偏振态起偏器件包括电介质基底、电介质纳米砖阵列，所述的电介质纳米砖阵列由一系列的双原子超构分子组成，所述的双原子超构分子由具有一定夹角的两个纳米砖构成，所述的电介质纳米砖阵列位于电介质基底之上，通过调控纳米砖的尺寸与夹角，可以只允许任意一对正交偏振态中一个分量透过，而阻止该对正交偏振态中与其正交的偏振态透过，使得该超构表面具有任意偏振态的二向色性，其中，所述的一对正交偏振态包括线偏振态、圆偏振态及椭圆偏振态。
2.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的电介质纳米砖为高折射率电介质材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子由两个不同尺寸、不同面内方向角、面内不相交的电介质纳米砖构成，其中，两个纳米砖的夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子选择性的允许一对正交偏振态中一个偏振态通过，并将其转化为手性相反的偏振态，同时，该对正交偏振态中的与其正交的偏振态将被完全阻止通过。
5.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子中第一个电介质纳米砖施加的相位为-2χ和2χ，旋转方向为ψ-45°；第二个电介质纳米砖施加的相位为0和π，旋转方向为ψ；ψ和χ分别为允许透过偏振态的主轴方向与椭偏度。
6.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的电介质纳米砖阵列对偏振态的选择透过性由双原子超构分子中两个电介质纳米砖对出射光调制的相位对远场干涉情况的影响决定。
7.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的双原子超构分子的旋转角与产生偏振态的主轴方向有关，旋转超构表面可控制出射偏振态的主轴方向，而不影响偏振态的椭偏度。
8.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的任意偏振态起偏器件在工作时对入射光的偏振态没有要求，即产生的偏振态不受入射光的偏振态影响，所述的任意偏振态起偏器件可工作在非偏振光下。
9.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的电介质基底的材料为三氧化二铝或二氧化硅；所述的电介质纳米砖的材料为晶体硅、二氧化钛和氮化硅中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种基于电介质纳米砖超构表面的任意偏振态起偏器件，其特征在于，所述的电介质纳米砖阵列的厚度为亚微米量级。
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