[发明专利]一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜

说明书

本发明公开了一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜，它为光频段的超材料结构，包括金属微结构层1、3和介质基板层2，金属微结构层1和3位于介质基板层2的两面；金属微结构层1的上表面为金属面1，下表面为金属面2，金属微结构层3的上表面为金属面3，下表面为金属面4，金属面1为入射面，金属面4为出射面；金属微结构层1和3为手征对称性的右旋风车结构，或者为螺旋形的手征对称性右旋人造结构，金属微结构层1和金属微结构层3之间具有一个以结构中心作为旋转中心的左旋角，输出光波的两个正交分量的振幅相等，两个正交分量的相位差为90°的奇数倍。本发明结构简单、转换效率高，可将一束线偏振光转换为左旋圆偏振光，且输出光束质量高。

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地说，本发明涉及一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜。

背景技术

波在传播过程中会在不同的方向上产生振动，而这种振动称为波的偏振，是波的一种固有的特性。如电磁波、声波和引力波等都具有偏振特性，而各种波的偏振特性亦不尽相同，如声波的偏振方向与其传播方向一致，通常称这种偏振方向与传播方向一致的波为纵波。波的偏振方向与传播方向相垂直，这种波称为横波。电磁波为典型的横波，其具有电场和磁场的偏振，偏振方向与其传播方向垂直，通常将电场的偏振方向定义为该电磁波的偏振方向。偏振在许多科学研究领域中是一个不可或缺的参数，如光学、微波、无线电及地震学等。同样，在技术应用领域中，如激光通信、无线通信、光纤通信及雷达等，对于偏振的研究也是至关重要的一环。

偏振旋转器也称偏振变换器，是一种用于改变信号偏振态的器件。而今主要通过波片或法拉第旋转器对信号偏振态进行改造。

波片是一种能使光振动相互垂直的光波产生附加相位差的光学器件，通常由一些具有双折射特性的单轴晶体制备而成，如石英、云母及方解石等。当光波通过一定厚度的波片，由于光波的o光和e光在波片中的传播速度不同，使其出射时产生一定的相位差，因此光波出射合成后的偏振态将发生改变，而这种偏振态的变化取决于光波经过波片后产生的相位差。通常将能产生1/4波长相位差的波片称为四分之一波片；将能产生1/2波长相位差的波片称为二分之一波片。若入射光波为线偏振光，光波以一定角度通过四分之一波片，出射光波改变为圆偏振光；同理，该线偏振光波以一定角度通过二分之一波片，出射光波仍为线偏振光，但其偏振角度一般有改变。

法拉第旋转器是基于法拉第效应的磁致旋光器件，当线偏振光经过一个具有外加磁场的晶体后，光波的偏正面将发生旋转，此现象为法拉第效应。而该晶体称为磁光晶体。出射光波偏振面所旋转的角度θ与外加磁场的磁感应强度B及光波在晶体中的作用距离L成正比

θ＝VBL

其中V为费尔德常数，为磁光晶体的固有特性。

波片按结构可分为多级波片、复合波片和真零级波片，但无论哪一种波片都有其自身的不足之处，如波长敏感度、温度敏感度、入射角敏感性或制作工艺困难等。法拉第旋转器具有温度特性差、光衰问题突出、插损高、控制精度低及体积大等问题。

本发明所实现的光束偏振态变换并没有采用现有传统的变换技术，如波片或法拉第旋转器等，而是通过超材料技术对光束偏振态进行调制。

超材料是一种人工的结构性功能材料，它能实现一些自然界中材料所无法实现的特殊功能。超材料并不是传统意义上所理解的“材料”，它通过具有一定物理尺寸的结构，经过有序的设计排列，可实现自然界固有材料所不具备的超常材料功能。因此，亦可将超材料理解为人工复合材料。由于现今的印刷电路制作工艺已非常成熟，对于制作微波波段的超材料具有很大优势，因此，对微波波段的超材料应用器件的研究已成为一个热点。随着现代制作工艺的不断发展，半导体工艺已由次微米时代发展至纳米电子时代，超材料的物理尺寸可通过现代制作工艺达到纳米级别，因此光波段的超材料开发亦日渐成为科研界的焦点。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种结构简单、转换效率高，可将线偏振光变换成左旋圆偏振转换功能的超材料薄膜。