CN211741623U - 一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元及偏振片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元及偏振片，属于光器件领域，解决了以往偏振结构不能保留需要的旋向光的问题。包括依次层叠设置的第一十字共振体、第一介质基底、中间光栅共振体、第二介质基底及第二十字共振体。第一十字共振体设置在第一介质基底的第一侧表面上、中间光栅共振体设置在第一介质基底的第二侧表面上或者第二介质基底的第一侧表面上，第二十字共振体设置在第二介质基底的第二侧表面上。中间光栅共振体包括三个平行设置且间距为45μm的金属条，第一十字共振体和第二十字共振体均包括互相垂直的长边和短边，金属条分别和第一十字共振体长边成45°夹角。本实用新型能在反射端或透射端保留需要的旋向光的效果。

Description

一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元及偏振片

技术领域

本实用新型涉及光器件技术领域，尤其是涉及一种基于两个十字形共振体的偏振片单元及偏振片。

背景技术

电磁波的偏振作为其横波的重要特征，在实际中具有重要的应用。传统上，实现电磁波的偏振调控一般通过各项异性晶体等实现。利用材料内部不同晶轴方向或不同圆偏态的折射率差异，使得不同偏振的电磁波在一定厚度的晶体材料内传播时产生不同的相位积累，从而引起出射光偏振性质的改变。

一般来说，传统材料对应的折射率差别Δn很小，为了产生足够相位差所需材料厚度相比于波长非常大，同时对于特定频率的偏振片来说，设计上不仅对波片厚度严格要求，而且一般仅能在窄带内具有很好的效果，这些限制在实际中大大制约了偏振应用的发展。另外，光经过偏振片的时候会产生反射和折射，而不同的旋向光（如左旋光和右旋光）实际应用场景不同。

因此，如何设计一种超薄、宽频高效以及能够使光在经过反射或折射时，还能在反射端或者透射端保留需要的旋向光的圆偏振片是目前亟需解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的之一是提供一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元，能够用来设计具有超薄、宽频高效及在反射端或者透射端保留需要的旋向光的偏振片。

本实用新型的目的之二是提供一种偏振片，其具有超薄、宽频高效及在反射端或者透射端保留需要的旋向光的效果。

本实用新型的上述实用新型目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元：包括依次层叠设置的第一十字共振体、第一介质基底、中间光栅共振体、第二介质基底及第二十字共振体；其中，

第一十字共振体设置在第一介质基底的第一侧表面上、中间光栅共振体设置在第一介质基底的第二侧表面上或者第二介质基底的第一侧表面上，第二十字共振体设置在第二介质基底的第二侧表面上；

中间光栅共振体包括三个平行设置且间距为22.5μm的金属条，所述第一十字共振体和第二十字共振体均包括互相垂直的长边和短边，每个金属条分别和第一十字共振体和第二十字共振体的长边成45°夹角，第一十字共振体的长边和第一基底的宽边平行；

第一十字共振体的尺寸大小和第二十字共振体的尺寸大小一样，第一介质基底的尺寸大小和第二介质基底的尺寸大小一样。

通过采用上述技术方案，将具有长短边的两个十字共振体中的长边均设置为与中间光栅共振体中的每个金属条夹角成45度，并通过具有介电常数的两个基底将第一十字共振体和中间光栅共振体隔开及中间光栅共振体和第二十字共振体隔开，本领域技术人员通过该种结构设置能够在光透过偏振单元后在某一工作频段内，在反射端只让左旋光或右旋光返回，在透射端只让左旋光或者右旋光出射，本申请中投射端的功能和反射端的功能是独立的，即为可以根据需要在反射端或透射端选择自己需要的旋向光，另外每层的厚度都为纳米级，所以使得整个偏振单元很薄。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一十字共振体和第二十字共振体的长边长度为70μm，短边长度为30μm，长边和短边的宽度为15μm，长边和短边厚度为25nm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一十字共振体的长边和第二十字共振体的长边互相垂直或者互相平行。

通过采用上述技术方案，当两个十字共振体的长边互相平行，且工作频段在0.8-1.0THz时，左旋光入射，在反射端只让左旋光；在透射端只让右旋光入射，左旋光出射。当两个十字共振体的长边互相垂直时，且工作频段在0.8-1.0THz时，光透过偏振单元后，在反射端只让左旋光返回；在透射端只让右旋光入射，右旋光出射。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一十字共振体、第二十字共振体及中间光栅共振体的材质为金。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一介质基底和所述第二介质基底为边长75μm的正方形，第一介质基底和所述第二介质基底厚度为25μm，材质为聚酰亚胺。

通过采用上述技术方案，采用聚酰亚胺使基底的电绝缘性能较好，介电常数较小，对光的吸收较小，不易造成光的损失。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一介质基底和所述第二介质基底介电常数为3.1。

本实用新型的上述实用新型目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种圆偏振偏振片，包括至少四个上述的圆偏振单元，所述至少四个圆偏振单元阵列形成矩形，所述至少四个圆偏振单元的所有第一介质基底无缝拼接一体形成第一矩形，所有第二介质基底无缝拼接一体形成第二矩形。

通过采用上述技术方案，因为单一圆偏振单元反射或者透射出来的光点小至纳米级，肉眼不可见，但是四个以上的偏振单元阵列后能够形成百微米级的光斑，可以用于机场、车站等安防领域的检测。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述四个圆偏振单元形成的光斑为百微米级可见光斑。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.将具有长短边的两个十字共振体中的长边均设置为于中间光栅共振体中的每个金属条夹角成45°，并通过具有介电常数的两个基底将第一十字共振体和中间光栅共振体隔开及中间光栅共振体和第二十字共振体隔开，本领域技术人员通过该种结构设置能够在光透过偏振单元后在某一工作频段内，在反射端只让左旋光或右旋光返回，在透射端只让左旋光或者右旋光出射，本申请中投射端的功能和反射端的功能是独立的，即为可以根据需要在反射端或透射端选择自己需要的旋向光；另外每层的厚度都为纳米级，所以使得整个偏振单元很薄。

2.当两个十字共振体的长边互相平行，且工作频段在0.8-1.0THz时，左旋光入射，在反射端只让左旋光返回；在透射端只让右旋光入射，左旋光出射。当两个十字共振体的长边互相垂直时，且工作频段在0.8-1.0THz时，光透过偏振单元后，在反射端只让左旋光；在透射端只让右旋光入射，右旋光出射；另外，因为偏振单元为纳米级，所以整个偏振片也很薄。

3.因为单一圆偏振单元反射或者透射出来的光点小至纳米级，肉眼不可见，但是四个以上的偏振单元阵列后能够形成百微米级的光斑，可以用于机场、车站等安防领域的检测。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的基于两个十字形共振体工作波段0.8-1.0THz的圆偏振单元爆炸结构示意图；

图2是实施例一的圆偏振单元对应的光的频率和反射系数的线性关系图；

图3是实施例一的圆偏振单元对应的光的频率和透射系数的线性关系图；

图4是图1中四个圆偏振单元阵列组成的圆偏振片爆炸结构示意图；

图5是本实用新型实施例二的基于两个十字形共振体工作波段0.8-1.0THz的圆偏振单元爆炸结构示意图；

图6是实施例二的圆偏振单元对应的光的频率和反射系数的线性关系图；

图7是实施例二的圆偏振单元对应的光的频率和透射系数的线性关系图；

图8是图4中四个圆偏振单元阵列组成的圆偏振片结构示意图。

图中，10、第一十字共振体；20、第一介质基底；30、中间光栅共振体；40、第二介质基底；50、第二十字共振体；21、第一侧表面；22、第二侧表面；41、第一侧表面；42、第二侧表面；a、长边；b、短边；w、宽度；b1、宽边；d1、厚度。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1，图1是本实用新型实施例一的基于两个十字形共振体工作波段0.8-1.0THz的圆偏振单元爆炸结构示意图。一种基于两个十字形共振体工作波段0.8-1.0THz的圆偏振单元，包括依次层叠设置的第一十字共振体10、第一介质基底20、中间光栅共振体30、第二介质基底40及第二十字共振体50。

具体的，平常上述第一十字共振体10、第一介质基底20、中间光栅共振体30、第二介质基底40及第二十字共振体50一共五层结构正常是层叠一体的，图1中为了显示每层的具体结构仅展示五层结构的爆炸示意图。

第一十字共振体10设置在第一介质基底20的第一侧表面21上、中间光栅共振体30设置在第一介质基底20的第二侧表面22上第二十字共振体50设置在第二介质基底40的第二侧表面42上。

进一步地，中间光栅共振体30还可以设置在第二介质基底40的第一侧表面41上，介质基底用于将各个共振体间隔开。

中间光栅共振体30包括三个平行设置且间距为22.5μm的金属条，第一十字共振体10和第二十字共振体50均包括互相垂直的长边a和短边b，每个金属条分别和第一十字共振体10和第二十字共振体50的长边a成45°夹角，第一十字共振体的长边a和第一基底的宽边b1平行。

图中中间光栅共振体30的三个金属条长度不同，两侧的金属条类似等腰梯形，中间的金属条两端形状为三角形，本领域技术人员可以根据需要设置金属条两端形状，只需保证金属条之间的间距为22.5μm即可。

第一十字共振体10的尺寸大小和第二十字共振体50的尺寸大小一样，第一介质基底20的尺寸大小和第二介质基底40的尺寸大小一样。具体地，第一十字共振体10和第二十字共振体50的长边尺寸、短边尺寸及厚度均对应相等，第一介质基底20和第二介质基底40的长宽尺寸及厚度尺寸均对应相等。

第一十字共振体10和第二十字共振体40的长边a长度为70μm，短边b长度为30μm，长边和短边的宽度w为15μm，长边和短边厚度为25nm。

第一十字共振体10的长边a和第二十字共振体40的长边(图中未标识)互相平行。

第一十字共振体10、第二十字共振体40及中间光栅共振体30的材质为金。

第一介质基底20和所述第二介质基底40为边长75μm的正方形，第一介质基底20和第二介质基底40厚度d1为25μm，介电常数为3.1，材质为聚酰亚胺。其中，选用聚酰亚胺电绝缘性能较好，介电常数较小，对光的吸收较小，不易造成光的损失。

请参阅图2和图3，图2是实施例一的圆偏振单元对应的光的频率和反射系数的线性关系图，图3是实施例一的圆偏振单元对应的光的频率和透射系数的线性关系图。图中2中左旋光和右旋光的能量都是1，横轴为频率Frequency，纵轴为反射系数reflectance。光先从第一十字共振体10一侧入射，从第二十字共振体50反射，Ref_l,l指向的曲线代表左旋光入射，反射到左旋光的比例；Ref_r,r指向的曲线代表右旋光入射，反射到右旋光的比例；Ref_l,r和Ref_r,l指向同一曲线，该曲线代表右旋光入射，反射到左旋光的比例和左旋光入射反射到右旋光的比例。

图3中左旋光和右旋光的能量都是1，横轴为频率，纵轴为透射系数Transmittance。光先从第一十字共振体10一侧入射，从第二十字共振体50透射，Trans_l,r指向的曲线代表右旋光入射，透射到左旋光的比例；Trans_r,l指向的曲线代表左旋光入射，透射到右旋光的比例；Trans_l,l指向的曲线代表左旋光入射，透射到左旋光的比例；Trans_r,r指向的曲线代表右旋光入射，透射到右旋光的比例。

图1中的结构，其反射性能如图2所示，透射性能如图3所示。对于反射端，工作频段在0.4-0.5Thz时，可以看出Ref_l,l对应的曲线反射系数高于其他曲线，这就说明，对于反射端，左旋光和右旋光同时入射，只能让左旋光返回。对于透射端，工作频段在0.4-0.5Thz时，可以看出Tr_l,r对应的曲线透射系数高于其他曲线，这就说明，对于透射端，只能让右旋光入射，左旋光出射，其他形式都不可以。本申请中投射端的功能和反射端的功能是独立的，可以随意组合透射端和反射端的角度，实现不同的功能，即为可以根据需要在反射端或透射端选择自己需要的旋向光。

请参阅图4，图4是图1中四个圆偏振单元阵列组成的圆偏振片爆炸结构示意图。一种圆偏振偏振片，包括至少四个上述的圆偏振单元，至少四个圆偏振单元阵列形成矩形，图中示意了圆偏振单元为四个的情况，四个圆偏振单元的所有第一介质基底20无缝拼接一体形成第一矩形，所有第二介质基底40无缝拼接一体形成第二矩形。四个圆偏振单元形成的光斑为百微米级可见光斑。因为单一圆偏振单元反射或者透射出来的光点小至纳米级，肉眼不可见，但是四个以上的偏振单元阵列后能够形成百微米级的光斑，可以用于机场、车站等安防领域的检测。另外，每层的厚度都为纳米级，所以使得整个偏振片很薄。

本实用新型选用金属十字结构作为等效的1/4波片，选用亚波长金属光栅结构作用等效线偏振偏振片，采用FDTD模拟优化参数，即可得到图1和图4中结构及对外响应图2和图3。

实施例二：

请参阅图5，图5是本实用新型实施例二的基于两个十字形共振体工作波段在0.8-1.0THz的圆偏振单元爆炸结构示意图。图5和图1的区别在于第二十字共振体50设置在第二介质基底的方位与图1不同，第一十字共振体10的长边a和第二十字共振体40的长边(图中未标识)互相垂直，第二十字共振体50的长边a和第一基底的宽边b1垂直。

请参阅图6和图7，图6是实施例二的圆偏振单元对应的光的频率和反射系数的线性关系图，图7是实施例二的圆偏振单元对应的光的频率和透射系数的线性关系图。图中6中左旋光和右旋光的能量都是1，横轴为频率，纵轴为反射系数reflectance。光先从第一十字共振体10一侧入射，从第二十字共振体50反射，Ref_l,l指向的曲线代表左旋光入射，反射到左旋光的比例；Ref_r,r指向的曲线代表右旋光入射，反射到右旋光的比例；Ref_l,r和Ref_r,l指向同一曲线，该曲线代表右旋光入射，反射到左旋光的比例和左旋光入射，反射到右旋光的比例。

图7中左旋光和右旋光的能量都是1，横轴为频率Frequency，纵轴为透射系数Transmittance。光先从第一十字共振体10一侧入射，从第二十字共振体50透射，Trans_l,r指向的曲线代表右旋光入射，透射到左旋光的比例；Trans_r,l指向的曲线代表左旋光入射，透射到右旋光的比例；Trans_l,l指向的曲线代表左旋光入射，透射到左旋光的比例；Trans_r,r指向的曲线代表右旋光入射，透射到右旋光的比例。

图5中的结构，其反射性能如图6所示，透射性能如图7所示。对于反射端，工作波段在0.8-1.0THz时，可以看出Ref_l,l对应的曲线反射系数高于其他曲线，这就说明，对于反射端，左旋光和右旋光同时入射，只能让左旋光返回。对于透射端，工作波段在0.8-1.0THz时，可以看出Tr_r,r对应的曲线透射系数高于其他曲线，这就说明，对于透射端，只能让右旋光入射，右旋光出射，其他形式都不可以。本申请中投射端的功能和反射端的功能是独立的，可以随意组合透射端和反射端的角度，实现不同的功能，即为可以根据需要在反射端或透射端选择自己需要的旋向光。

请参阅图8，图8是图5中四个圆偏振单元阵列组成的圆偏振片爆炸结构示意图。一种圆偏振偏振片，包括至少四个上述的圆偏振单元，至少四个圆偏振单元阵列形成矩形，图中示意了圆偏振单元为四个的情况，四个圆偏振单元的所有第一介质基底20无缝拼接一体形成第一矩形，所有第二介质基底40无缝拼接一体形成第二矩形。四个圆偏振单元形成的光斑为百微米级可见光斑。因为单一圆偏振单元反射或者透射出来的光点小至纳米级，肉眼不可见，但是四个以上的偏振单元阵列后能够形成百微米级的光斑，可以用于机场、车站等安防领域的检测。另外，每层的厚度都为纳米级，所以使得整个偏振片很薄。

图1和5的两种不同结构，除了材料损耗对应的吸收之外，其左旋圆偏振入射的能量均以左旋圆偏振反射，而其右旋圆偏振入射的能量则全部透射，且随着最后一层等效波片的90°转动，能量分别以左旋和右旋方式出射。申请人通过几层不同响应的波片的叠加，就得到了圆偏振偏振片，且可以通过简单的改变某一层的角度调整得到最终响应。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，包括依次层叠设置的第一十字共振体（10）、第一介质基底（20）、中间光栅共振体（30）、第二介质基底（40）及第二十字共振体（50）；其中，

第一十字共振体（10）设置在第一介质基底（20）的第一侧表面（21）上、中间光栅共振体（30）设置在第一介质基底（20）的第二侧表面（22）上或者第二介质基底（40）的第一侧表面（41）上，第二十字共振体（50）设置在第二介质基底（40）的第二侧表面（42）上；

中间光栅共振体（30）包括三个平行设置且间距为22.5μm的金属条，所述第一十字共振体（10）和第二十字共振体（50）均包括互相垂直的长边和短边，每个金属条分别和第一十字共振体（10）和第二十字共振体（50）的长边成45°夹角，第一十字共振体（10）的长边和第一基底的宽边平行；

第一十字共振体（10）的尺寸大小和第二十字共振体（50）的尺寸大小一样，第一介质基底（20）的尺寸大小和第二介质基底（40）的尺寸大小一样。

2.根据权利要求1所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，所述第一十字共振体（10）和第二十字共振体（50）的长边长度为70μm，短边长度为30μm，长边和短边的宽度为15μm，长边和短边厚度为25nm。

3.根据权利要求2所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，所述第一十字共振体（10）的长边和第二十字共振体（50）的长边互相垂直或者互相平行。

4.根据权利要求3所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，所述第一十字共振体（10）、第二十字共振体（50）及中间光栅共振体（30）的材质为金。

5.根据权利要求1所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，所述第一介质基底（20）和所述第二介质基底（40）为边长75μm的正方形，第一介质基底（20）和所述第二介质基底（40）厚度为25μm，材质为聚酰亚胺。

6.根据权利要求5所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，其特征在于，所述第一介质基底（20）和所述第二介质基底（40）介电常数为3.1。

7.一种圆偏振偏振片，其特征在于，包括至少四个如权利要求1至6任一项所述的基于两个十字形共振体的圆偏振单元，所述至少四个圆偏振单元阵列形成矩形，所述至少四个圆偏振单元的所有第一介质基底（20）无缝拼接一体形成第一矩形，所有第二介质基底（40）无缝拼接一体形成第二矩形。

8.根据权利要求7所述的圆偏振偏振片，其特征在于，所述四个圆偏振单元形成的光斑为百微米级可见光斑。

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