[發明專利]基于介質超表面的偏振發生器及其設計方法

在審

• 申請號: 201880001744.1
• 申請日: 2018-10-12
• 公開（公告）號: CN109863433A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 沈飛;郭忠義;郭凱;周紅平;周清峰;田麗華
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30;G02B27/00
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 胡玉

本發明提供了一種基于介質超表面的偏振發生器及其設計方法。所設計偏振發生器由三組雙振態聚焦超表面集成，根據拋物線型相位分布，分別將入射光的x線偏振分量和y線偏振分量、45°線偏振分量和135°線偏振分量，以及左旋圓偏振分量和右旋圓偏振分量提取并聚焦到透射面的六個不同位置。該透射型超表面由兩層結構組成，基底和亞波長厚度的矩形柱陣列。透射性超表面的透射型共振單元由矩形納米天線構成，利用雙相位調制法，通過改變長和寬以及光軸旋轉角，實現對不同偏振態的相位響應。本設計方法對于不同的入射波長，可以選擇相應波段的高透性材料設計超表面，因此具有很高的靈活性，而且結構設計簡單，便于加工，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于基于人工復合材料超表面的集成光學器件設計的技術領域，具體涉及基于介質超表面平面透鏡和雙相位調控方法。

背景技術

偏振光的產生和處理傳統上是利用一系列設置好的偏振器件，例如連續放置在探測器前的光路上的偏振計和波片。基于傳統的離散光學組件體積大、測量復雜、成本較高，無法滿足當今對光學器件集成化的要求。人造表面納米結構——光學超表面的產生，以其在光學調控方面的簡化和制造技術的發展，吸引了大量的關注。超表面具有超薄、微型的特點，解決了體積問題帶來的劣勢，可以實現傳統光學器件的功能，同時便于集成在光子芯片上，正逐步取代傳統光偏振器件。電介質超表面的出現，不僅提高了效率，還可以利用比較成熟的半導體制作工藝來制作，降低了制造成本，有利于實現高透射、低損失、具有兼容性的光學器件。

偏振產生最簡單的方法是使用偏振器，它作為一種光學透射濾光器，只能允許特定的偏振通過，阻擋了其他偏振態。這種裝置多數用于產生線偏振光，而且在得到所需偏振態的同時，其他偏振態直接被濾除，損失了相應的能量，透射的亮度也會減小。

理想的情況是，任意偏振態的入射光經過偏振發生器后，不僅可以產生所需的偏振態，還可以保留其他偏振態的能量，然后將能量匯聚起來，用于后續的探測、成像或計算等。

本發明設計了一種基于全介質超表面的透射式偏振發生器，它可以將入射的任意偏振態的光同時轉換成6種偏振態，包括x線偏振光、y線偏振光、45°線偏振光、135°線偏振光、左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，并且每種偏振態分別聚焦在不同的位置，實現單一光束的偏振態分離。偏振發生器的多功能性和緊湊性可以將任何入射波轉換成任意偏振的光束，對實現一套完整的平面光學集成具有重要的影響，同時在成像、傳感和探測等領域，都有廣泛的應用。

發明內容

基于介質超表面的偏振發生器的設計方法，步驟如下：

第一步：計算得出超表面每個單元共振器對不同偏振態的入射光的相位響應，選擇矩形柱結構作為共振單元，經過優化，確定共振單元的最優高度。

第二步：雙相位響應超表面的設計，當θ＝0°，同時調整矩形柱的長度l和寬度w，實現任意的和的相位組合，從而實現一個單元共振器對x線偏振態和y線偏振態的同時相位調制；當θ＝45°，同時調整矩形柱的長度l和寬度w，實現任意的和的相位組合，實現一個單元共振器對45°線偏振態和135°線偏振態的同時相位調制。矩形柱長度l和寬度w固定，只改變旋轉角度θ，得到共振單元對圓偏振態的相位調制。

第三步：三組雙偏振態聚焦超表面的設計。根據聚焦公式：

得到每個共振單元所需的聚焦相位，并得到相應的結構尺寸。

第四步：偏振發生器的集成，將上述三組超表面組合成一個完整結構。

本發明介紹了一種基于超表面的偏振發生器，基本結構單元是硅納米柱，如圖1(a)所示。6種偏振態同時生成的功能主要由三種雙偏振態聚焦透鏡(MS1、MS2、MS3)組合實現。圖1(b)給出了偏振分布，第一部分(MS1)生成x和y線偏振光，并分別實現聚焦；第二部分(MS2)產生45°線偏振光和135°線偏振光：第三部分(MS3)產生左旋和右旋圓偏振光，并實現聚焦。