CN113608282B - 基于全介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质超表面的高效全矢量偏振分析器件及其应用，该器件的结构是由基底和矩形介质柱组成的超表面，通过对矩形介质柱的长、宽以及旋转角的调控，并利用双相位调制法选择与所述分布相同的矩形介质柱，使得包含X、Y、45°、135°线偏振以及LCP和RCP的各种线、圆偏振光分别聚焦在空间对称位置上，并通过提取焦点能量对偏振分析器的参数进行矫正，从而能对于任意入射超表面的光，通过六焦点能量值即可将斯托克斯参数完整地恢复出来，并分析得出入射光的偏振态。本发明能大大提高器件的集成度，降低制备成本，并能实现对于不同偏振光的高效聚焦。

Description

基于全介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件及应用

技术领域

本发明属于新型人工复合材料超表面技术领域，尤其涉及一种基于全介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件及其应用。

背景技术

偏振作为光的一种固有属性，在信息光学中有着至关重要的作用。偏振可用于材料、物理、生物医学等领域的信息获取。传统光学系统中，需要布置包括偏振片、滤波片、波片等在内的诸多光学器件，才能获取全矢量偏振信息。常见方法有两种：一种是利用各种光学器件对不同的偏振态分次测量，需要花费大量时间；一种是将入射光分成几个光路，使用多个偏振器和探测器同时测量各种偏振态。尽管这些方法都能探测全矢量偏振信息，但光学系统的尺寸和复杂度较高。

超表面的出现，解决了偏振测量过程中对于光学系统低成本、高集成度和小型化的需求。超表面是超材料概念的二维平面化，由于其具有超薄、紧凑、灵活等特点，被广泛应用于光学系统的集成方向。在早期的超表面提取偏振的方法中，几何相位超表面被用于确定部分偏振态，例如设计偏振器和延迟波前被用于确定圆偏振度。为了完全获得光的偏振态信息，研究人员开始设计能有效恢复出全斯托克斯参数的矢量超表面器件。不仅由于金属材料的固有损耗，导致超表面效率较低，而且这些器件基本上都是通过某一单个区域单独控制某一偏振状态来测量偏振态，这种简单地集成了几个像素区域很难达到光学系统高效、高集成度、高利用率的要求。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于全介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件及应用，提高器件的集成度，降低制备成本，并能实现对于不同偏振光的高效聚焦。

本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

本发明一种基于介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件的特点是，在低折射率材料的基底上按照如下步骤来布置高折射率材料的矩形介质柱，从而组成超表面：

步骤1、利用聚焦公式得出不同偏振光聚焦在不同位置时的相位分布；

步骤2、通过对不同的矩形介质柱的长、宽及旋转角进行参数化扫描，得到相应矩形介质柱的相位和透射率分布；

步骤3、按照步骤1中的相位分布，利用双相位调制法从步骤2中扫描得到的矩形介质柱的相位中选择与所述相位分布相同的矩形介质柱并相应设置在基底上。

本发明所述的基于介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件的特点也在于，所述双相位调制法是根据不同尺寸的矩形介质对任意一对正交线偏振光所产生的相位积累不同，选择能满足一对正交偏振光的相位需求的矩形介质柱。

本发明所述的基于介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件的偏振分析方法的特点是按如下过程进行：

步骤a、对六像元全矢量偏振信息获取器件分别入射X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光、135°线偏振光、LCP光和RCP光，并相应得到焦点能量，记为I′_x、I′_y、I′₄₅、I′₁₃₅、I′_lcp和I′_rcp；计算三个中间参数a＝I′_x/I′_y，b＝I′₄₅/I′₁₃₅，c＝I′_lcp/I′_rcp；

步骤b、当一束任意包含X偏振、Y偏振、45°线偏振、135°线偏振、LCP和RCP的六种偏振态的光入射所述六像元全矢量偏振信息获取器时，利用探测器测得六个焦点的能量分别记为I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp；

步骤c、将六个焦点的能量I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp转换为偏振态对应的三个功率

并与总光强

共同构成一组斯托克斯参数；

步骤d、利用式(1)-式(3)将所述斯托克斯参数进行归一化处理，并使得归一化后的总光强

从而由归一化后的三个功率s₁、s₂和s₃，以及归一化后的总光强s₀共同构成一组新的斯托克斯参数，用于描述入射光的偏振态；

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明六像元全矢量偏振信息获取器件采用介质材料制作，高折射率材料做调制结构、低折射率材料制作基底，并且用双相位调制法选择符合相位分布的矩形介质柱；传统偏振分析系统将光路分束，分六个光路测未知光的六种偏振态的能量，进而根据每一种偏振态能量恢复斯托克斯参数；而本发明利用超表面分别将六种偏振态的光聚焦在空间对称位置，并提取对应焦点的聚焦能量值来计算出入射光的斯托克斯参数。本发明相较于传统的偏振分析器而言，大大降低了损耗，实现了不同偏振光的高效聚焦以及入射光偏振态的准确计算；并且提高了器件的集成度，降低了制作成本。

2、本发明采用高折射率介质材料做调制结构、低折射率介质材料制作基底。不同于传统反射式的偏振分析器，本发明将使用透射的方式收集能量、分析偏振态，实现了入射光低损耗的聚焦及偏振分析。

3、本发明是基于双相位调制原理，将超表面分为三部分，每一部分都对一对正交偏振光进行同时调制，在降低超表面的面积、提高器件的集成度的同时，大大提高了偏振光的聚焦效率。

4、本发明六像元偏振分析器件只需利用六种已知偏振态和对应焦点能量值，对器件数据进行校正，然后对于任意入射超表面的光，利用探测六焦点能量值并根据公式即可将斯托克斯参数完整的恢复出来。基于此方法，本发明不仅可以实现对偏振光的快速、准确的分析；还可以同时测量入射光中六种偏振分量的聚焦能量，使得在光学系统中不需要任何额外的偏振器。

附图说明

图1是本发明六像元偏振分析器的示意图；

图2是本发明六像元偏振分析器的单元结构图；

图3是六像元全偏振探测器平面结构图；

图4是六像元全偏振探测器的仿真电场结果图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于全介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件，如图1所示，是在低折射率材料的基底上按照如下步骤来布置高折射率材料的矩形介质柱，从而组成超表面。主要实现了在可见光波段使用氮化镓介质材料、紫外波段使用氧化钾介质材料、红外波段使用砷化镓等高折射率介质材料结合低折射率材料基底均可实现作为介质超表面的高效全偏振矢量分析器件。本发明偏振信息获取器件的单元结构设计如图2所示，工作波长为4.2μm，使用的介质矩形柱材料为砷化镓柱,厚度为3.6μm；基底材料为氟化钙，厚度为2μm，单元周期为1.8μm。

具体来说，步骤如下：

步骤1、利用如式(1)所示的聚焦公式得出不同偏振光聚焦在不同位置时的相位分布；

式(1)中，

为所求的相位分布，λ为入射波的波长，f表示焦距，x₀和y₀分别表示焦点对于超表面中心位置的横向和纵向的偏移量。

图3所示为所设计的六像元全偏振探测器件平面结构图，工作波长设计为4.2μm，焦距为5倍波长21μm，设计的超表面由1536个砷化镓纳米柱组成(分为三部分，每一部分由512个砷化镓纳米柱组成)，每个纳米柱都是根据所需相位选取的最佳结构单元。

步骤2、通过对不同的矩形介质柱的长、宽及旋转角进行参数化扫描，得到相应矩形介质柱的相位和透射率分布；

砷化镓矩形柱有三个变量，分别为矩形柱的长l、宽w以及旋转角度θ。通过调整l、w和θ，可以实现不同偏振态的相位调制。本发明六像元全偏振探测器件利用传播相位和几何相位进行相位调控，其中长l、宽w共同控制线偏振光的传播相位，夹角θ主要控制几何相位调控圆偏振光。仿真时，通过对矩形柱的长l、宽w和夹角θ进行参数化扫描来得到矩形柱尺寸参数与相位的对应关系，为设计超表面寻找合适的尺寸参数做准备。

步骤3、按照步骤1中的相位分布，利用双相位调制法从步骤2中扫描得到的矩形介质柱的相位中选择与相位分布相同的矩形介质柱并相应设置在基底上。

双相位调制法是根据不同尺寸的矩形介质对任意一对正交线偏振光所产生的相位积累不同，选择能满足一对正交偏振光的相位需求的矩形介质柱。超表面的第一部分(I)利用双相位调制实现X和Y偏振同时聚焦到两个对称位置，实现不同偏振态在空间上的聚焦分离。选择合适的长l、宽w满足每一对正交线偏振的同时调制。同样地，超表面的第三部分(III)也是利用正交线偏振的双相位同时调制来实现45°和135°线偏振聚焦。由于结构单元对晶格方向的改变不具有敏感性，实际仿真中针对45°和135°线偏振结构尺寸的选择可以直接将超表面第一部分的结构单元均旋转45°以实现

和

的双调制。针对圆偏振光的调制，超表面的第二部分(II)这里是利用PB相位原理。要想实现PB相位调制，结构单元的尺寸选择时必须保证长短轴之间有π相位延迟，且对应的透射振幅相同。这里，将尺寸定为215.5nm，70nm以保证最大的圆偏振转化，聚焦相位的实现是将纳米柱旋转

和

角度。

本实施例中，一种基于介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件的偏振分析方法，是利用集成超表面分别将六种偏振态的光聚焦在空间对称位置，并用探测器提取对应焦点的聚焦能量值来恢复入射光的斯托克斯参数，具体步骤如下：

步骤a、对六像元全矢量偏振信息获取器件分别入射X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光、135°线偏振光、LCP光和RCP光，得到相应焦点能量并提取。结果如图4所示，图4中的(a)-(f)分别为X偏振、Y偏振、135°偏振、45°偏振、RCP、LCP光入射时的场分布，表1为图4中六像元偏振分析器入射不同偏振时的总效率分析。当X偏振光入射时，超表面的第一部分将X偏振成分全部聚焦到左边预设焦点位置，如图4中的(a)所示，这里记X偏振焦点能量值为I_x′。由于X偏振中没有Y偏振分量，且水平摆放的结构单元基本无纵向耦合，没有偏振转化，因此，Y偏振成分的预设焦点位置处的能量基本为0。而X偏振可以等分为45°、135°线偏振和LCP、RCP两对正交偏振，这使得在45°、135°线偏振、LCP和RCP成分的预设焦点位置处有聚焦能量。当Y偏振光入射时，正交线偏振双相位同时调制使超表面的第一部分将Y偏振成分聚焦到右边预设焦点位置，如图4中的(b)所示，记Y偏振焦点能量为I′_y。同样地，在分别入射45°线偏振、135°线偏振、LCP和RCP光，如图4中的(c)-(f)所示，并得到对应焦点能量分别为I′_x、I′_y、I′₄₅、I′₁₃₅、I′_lcp和I′_rcp，这里分六次测量是为了使结果更加精确。由于各正交偏振态的聚焦效率不完全相同且各焦点处均具有背景场的影响，这里对六个焦点能量进行预处理，计算三个中间参数a＝I′_x/I′_y，b＝I′₄₅/I′₁₃₅，c＝I′_lcp/I′_rcp；

表1六像元偏振分析器总效率表

偏振光	X偏振	Y偏振	LCP	RCP	45°	135°
							总效率	0.55236	0.58478	0.56768	0.56947	0.56883	0.56832

步骤b、当一束任意包含X偏振、Y偏振、45°线偏振、135°线偏振、LCP和RCP的六种偏振态的光入射六像元全矢量偏振信息获取器时，利用探测器测得六个焦点的能量分别记为I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp；

步骤c、为了抑制不同超表面部分聚焦效率不同的影响，将六个焦点的能量I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp转换为偏振态对应的三个功率

并与总光强

共同构成一组斯托克斯参数；

步骤d、利用式(2)将斯托克斯参数进行归一化处理，并使得归一化后的总光强

从而由归一化后的三个功率s₁、s₂和s₃，以及归一化后的总光强s₀共同构成一组新的斯托克斯参数，用于描述入射光的偏振态；

六像元偏振分析器件只需利用六种已知偏振态和对应焦点能量值，对器件参数进行校正，然后对于任意入射超表面的光，利用探测六焦点能量值并根据以上公式即可将斯托克斯的四个参数完整的恢复出来。通过斯托克斯参数的描述，可以分析得出入射光为何种偏振态。其中，斯托克斯参数还可以用强度、椭圆角和方位角共同表示，可定性的描述入射光的偏振状态。

此外，六像元偏振分析器还可以用作偏振产生器和分光器。相较于传统器件，基于超表面的产生器和分光器的多功能、紧凑性和高效性可以将任意入射波转化为任意偏振光束，这对实现一套较为完整的平面光学集成具有重要的影响。

Claims (1)

1.一种基于介质超表面的六像元全矢量偏振信息获取器件的调制方法，其特征是，在红外波段使用砷化镓介质材料来实现作为介质超表面的高效全偏振矢量分析器件；其中，在中红外波段，选取低折射率材料氟化钙CaF₂为基底，并按照如下步骤来布置高折射率材料砷化镓GaAs的矩形介质柱，从而组成超表面，且超表面分为三部分，每部分用于聚焦正交的一对偏振光，每部分均由512个介质柱组成；

步骤1、利用聚焦公式得出不同偏振光聚焦在不同位置时的相位分布；

步骤2、通过对不同的矩形介质柱的长、宽及旋转角进行参数化扫描，得到相应矩形介质柱的相位和透射率分布；

步骤3、按照步骤1中的相位分布，利用双相位调制法从步骤2中扫描得到的矩形介质柱的相位中选择与所述相位分布相同的矩形介质柱并相应设置在基底上，其中，所述双相位调制法是根据不同尺寸的矩形介质对任意一对正交线偏振光所产生的相位积累不同，选择能满足一对正交偏振光的相位需求的矩形介质柱；

步骤4、45°、135°线偏振部分的结构直接由X、Y线偏振部分的结构旋转45°直接获得；左、右旋圆偏振部分结构通过旋转角度满足PB相位；

由所述调制方法所得的六像元全矢量偏振信息获取器件的偏振分析方法包括：

步骤a、对六像元全矢量偏振信息获取器件分别入射X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光、135°线偏振光、LCP光和RCP光，并相应得到焦点能量，记为I′_x、I′_y、I′₄₅、I′₁₃₅、I′_lcp和I′_rcp；计算三个中间参数a＝I′_x/I′_y，b＝I′₄₅/I′₁₃₅，c＝I′_lcp/I′_rcp；

步骤b、当一束任意包含X偏振、Y偏振、45°线偏振、135°线偏振、LCP和RCP的六种偏振态的光入射所述六像元全矢量偏振信息获取器时，利用探测器测得六个焦点的能量分别记为I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp；

步骤c、将六个焦点的能量I_x、I_y、I₄₅、I₁₃₅、I_lcp和I_rcp转换为偏振态对应的三个功率

并与总光强

共同构成一组斯托克斯参数；

步骤d、利用式(1)-式(3)将所述斯托克斯参数进行归一化处理，并使得归一化后的总光强

从而由归一化后的三个功率s₁、s₂和s₃，以及归一化后的总光强s₀共同构成一组新的斯托克斯参数，用于描述入射光的偏振态；

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