CN220367435U - 一种基于超表面的偏振分光结构 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于超表面的偏振分光结构，包括：透反射超表面和包裹所述透反射超表面的介质层；所述透反射超表面由多个超表面单元以互不重叠、周期性矩形阵列的方式排列组成；当入射光为横电偏振时，所述偏振分光结构的透射率为1，反射率为0；当入射光为横磁偏振时，所述偏振分光结构的透射率为0，反射率为1。可见，本申请通过超表面结构设计，得到其中一个方向等效相对介电常数为0的超表面，从而实现了大角度范围的偏振分光效应。
Description
技术领域
本公开涉及超表面设计技术领域，具体涉及一种基于超表面的偏振分光结构。
背景技术
超表面是由精心设计的具有特定电磁响应的元原子组成的平面非均匀超材料，由于其具有很强的操纵透射和反射电磁波的能力，可以实现许多令人着迷的现象，例如偏振分光。
偏振分光的一个典型应用是偏振分束器，它已广泛应用于光子系统，包括光通信、成像处理和集成光子电路。传统的偏振分束器是基于各向异性材料的双折射、布鲁斯特效应、光学薄膜中的光干涉、光子晶体、超材料、超表面等设计的。虽然这些偏振分束器可以在不同偏振光的单独控制方面有很好的性能。然而，它们不能在没有外部磁场的纳米结构中同时实现完美偏振分光，特别是在宽入射角范围内实现一个线偏振波(如TE或S偏振波)的总透射率为1和另一个线偏振波(TM或P偏振波)的总反射率为1。完美偏振分光在光子学中具有重要的意义，这是因为偏振是光的固有特性，其灵活的控制可以导致许多有趣的现象和独特的应用。
实用新型内容
本公开的目的是提供一种基于超表面的偏振分光结构，以基于超表面实现大角度范围的偏振分光效应。
本公开第一方面实施例提供一种基于超表面的偏振分光结构，包括：透反射超表面和包裹所述透反射超表面的介质层；所述透反射超表面由多个超表面单元以互不重叠、周期性矩形阵列的方式排列组成；
当入射光为横电偏振时，所述偏振分光结构的透射率为1，反射率为0；当入射光为横磁偏振时，所述偏振分光结构的透射率为0，反射率为1。
根据本公开的一些实施方式中，所述超表面单元由一个中心金属和三个连接金属构成，所述三个连接金属在所述中心金属的中心交叉，所述三个连接金属用于所述超表面单元与周围超表面单元相互连接。
根据本公开的一些实施方式中，所述一个中心金属和三个连接金属均为长方体。
根据本公开的一些实施方式中，所述三个连接金属相互垂直，且每一所述连接金属与其穿过的所述中心金属的表面垂直。
根据本公开的一些实施方式中，所述三个连接金属大小相同。
根据本公开的一些实施方式中，所述中心金属的长、宽均为3.5mm，高为5.2mm。
根据本公开的一些实施方式中，所述连接金属的长、宽均为0.6mm。
根据本公开的一些实施方式中，所述连接金属的高为7mm。
根据本公开的一些实施方式中，所述介质层的介电常数为3，损耗角为0.0013。
根据本公开的一些实施方式中，所述介质层由聚砜材料制成。
本公开提供的基于超表面的偏振分光结构，包括透反射超表面和包裹所述透反射超表面的介质层；所述透反射超表面由多个超表面单元以互不重叠、周期性矩形阵列的方式排列组成；当入射光为横电偏振时，所述偏振分光结构的透射率为1，反射率为0；当入射光为横磁偏振时，所述偏振分光结构的透射率为0，反射率为1。可见，本申请通过超表面结构设计，得到其中一个方向等效相对介电常数为0的超表面，从而实现了大角度范围的偏振分光效应。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的基于超表面的偏振分光结构的示意图；
图2示出了本公开所提供的超表面单元的结构示意图；
图3示出了本公开所提供的超表面单元的xy侧面示意图；
图4示出了本公开所提供的超表面单元的xz侧面示意图；
图5示出了本公开所提供的超表面单元结构的x/y方向的等效相对介电常数和等效相对磁导率仿真图；
图6示出了本公开所提供的超表面单元结构的z方向的等效相对介电常数和等效相对磁导率仿真图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
图1示出了本公开所提供的一种基于超表面的偏振分光结构的示意图；如图1所示，本公开提供的上述基于超表面的偏振分光结构包括：透反射超表面和包裹所述透反射超表面的介质层，所述透反射超表面由多个超表面单元110以互不重叠、周期性矩形阵列的方式排列组成。具体的，构成介质层的介质材料包裹在每个超表面单元110的周围，超表面单元110的工作频率有一定带宽且可调，面内等效相对介电常数为1，面外等效相对介电常数为0。
本公开的偏振分光结构，在其偏振工作频率点附近的等效相对介电常数在垂直界面方向为0，在其它方向为1。当入射光为横电偏振时，所述偏振分光结构的透射率为1，反射率为0；当入射光为横磁偏振时，所述偏振分光结构的透射率为0，反射率为1。并且，所述偏振分光结构对入射角不敏感。
一些实施方式中，如图2所示为超表面单元110的结构示意图，所述超表面单元110由一个中心金属111和三个连接金属112构成，所述三个连接金属112在所述中心金属111的中心交叉。如图1所示，所述三个连接金属112用于该超表面单元与周围超表面单元相互连接。金属材料具体为具有导电性的铝、铜等。需要指出的，中心金属111和三个连接金属112的形状、尺寸，均可根据实际需求进行设定。
一些实施方式中，如图2所示，所述一个中心金属111和三个连接金属112均为长方体。当然，也可以根据实际需要，将中心金属和连接金属的形状设计为其它形状，本申请不做限定。
一些实施方式中，所述三个连接金属112的大小相同，也就是形状和长度都一样，完全一致。因此，可以说上述超表面单元是由一个位于中心的长方体金属和三根大小一致的长方体金属柱在中心交叉组成。
一些实施方式中，如图3所示为超表面单元的xy侧面示意图，如图4所示为超表面单元的xz侧面示意图，如图3和图4所示，所述中心金属111的长dx、宽dy均为3.5mm，高dz为5.2mm。也就是说，超表面单元110的中心金属111的结构的尺寸为：3.5mm*3.5mm*5.2mm的长方体。当然，也可以根据实际需要设计为其它尺寸，本申请不做限定。
一些实施方式中，如图3和图4所示，所述连接金属112的长、宽均为dcub＝0.6mm。
一些实施方式中，连接金属112的长短可以根据实际需要进行设置，如图3和图4所示，连接金属的高为drac＝7mm。也就是三根连接金属的长度均为7mm。因此，连接金属112是尺寸为0.6mm*0.6mm*7mm的长方体。当三根连接金属的长度相同时，包裹超表面单元中所有金属材料介质材料构成正方体结构。
一些实施方式中，包裹超表面单元110的介质层的介电常数为3，损耗角为0.0013，可以由聚砜材料制成。需要说明是，介质层的材料类型可以根据需求自行选定。
需要指出的，超表面是一种具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性排列所构成的人工材料，本申请中，通过设计超表面结构，得到其中一个方向等效相对介电常数为0的超表面，从而实现大角度范围的偏振分光效应。
具体的，从经典电磁理论可以推导出从空气入射到单轴各向异性超表面结构中TE偏振波和TM偏振波的反射系数为：
透射系数为：
其中，θ表示光波入射角，ε||，r表示平行界面的相对介电常数，ε⊥，r表示垂直界面的相对介电常数。可以看出ε||，r＝1，ε⊥，r＝0时，TTE＝1，RTE＝0且TTM＝0，RTM＝-1。理论上，垂直界面方向等效的相对介电常数为0时，可以实现TE偏振全透射，TM偏振全反射现象。
为进一步说明本申请中，在采用垂直界面等效相对介电常数为0的超表面时，可以实现偏振分光，本申请中，给出对图2所示的超表面单元进行仿真的结果，其各个方向的等效相对介电常数和等效相对磁导率的实部、虚部如图5、6所示，图5为本申请提供的超表面单元结构的x/y方向的等效相对介电常数和等效相对磁导率仿真图；图6为本申请提供的超表面单元结构的z方向的等效相对介电常数和等效相对磁导率仿真图。可见，垂直界面方向等效相对介电常数为0，其他方向为1的超表面结构可以实现偏振分光效应。
本公开提供的基于超表面的偏振分光结构，在理想的无损情况下，对于任意入射角，可以同时实现TM波的全反射和TE波的全透射。这是因为超表面结构可以设计成面内等效介电常数为1，面外等效介电常数为0。因此即使在没有干涉效应的情况下，本申请的透反射超表面的超表面结构对TE波是透明的，而对TM波是不透明的。综上所述，可以通过厚度达到纳米级的超薄材料来实现偏振分光效应。考虑到实际的材料损耗，在大入射角范围内，本申请基于超表面的偏振分光结构仍然可以保持偏振分光，即不同偏振光之间的高反射率或透射率比。此外，本申请提出的基于超表面的偏振分光结构具有结构简单、鲁棒性强的特点，并且使用低损耗金属可扩展到更高的频率。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，包括：透反射超表面和包裹所述透反射超表面的介质层；所述透反射超表面由多个超表面单元以互不重叠、周期性矩形阵列的方式排列组成；
当入射光为横电偏振时，所述偏振分光结构的透射率为1，反射率为0；当入射光为横磁偏振时，所述偏振分光结构的透射率为0，反射率为1。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述超表面单元由一个中心金属和三个连接金属构成，所述三个连接金属在所述中心金属的中心交叉，所述三个连接金属用于所述超表面单元与周围超表面单元相互连接。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述一个中心金属和三个连接金属均为长方体。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述三个连接金属相互垂直，且每一所述连接金属与其穿过的所述中心金属的表面垂直。
5.根据权利要求3所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述三个连接金属大小相同。
6.根据权利要求5所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述中心金属的长、宽均为3.5mm，高为5.2mm。
7.根据权利要求6所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述连接金属的长、宽均为0.6mm。
8.根据权利要求7所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述连接金属的高为7mm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述介质层的介电常数为3，损耗角为0.0013。
10.根据权利要求9所述的基于超表面的偏振分光结构，其特征在于，所述介质层由聚砜材料制成。
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