[发明专利]交叉偏振转换光学器件及其设计方法

说明书

本发明涉及一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法，该设计方法包括：固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度；固定金属光栅层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算介质层的厚度；固定金属光栅层和介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度；调节“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元；利用一组具有离散相位的“C”结构单元，设计“C”结构金属层的二维阵列；由金属光栅层、介质层和“C”结构金属层组成交叉偏振转换光学器件，用于将入射的x偏振光转换成y偏振光。

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法。

背景技术

偏振是电磁波的一个重要特性，在电磁波的传播和探测过程中携带了重要的信息。交叉偏振转换器件(CPC)可以将入射光波的偏振态旋转90度，使出射光波与入射光波偏振方向相互垂直。传统的CPC一般是基于材料本身的特性设计的，比如基于晶体的双折射效应和全内反射效应。但是，这种器件的工作带宽窄，转换效果不够好。超表面结构是指厚度小于波长的人工层状材料，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效的调控。

基于超表面结构的CPC通过具有周期性金属天线或金属狭缝阵列结构局域的表面等离子体共振来实现电磁波的线偏振转换，可以实现较大带宽的交叉偏振转换，偏振转换效果比较明显，可被应用于波束操控，波前整形等领域。现有技术中，这种超表面结构可以是单层的，也可以是多层的。图1是基于单层超表面结构的交叉偏振转换器的示意图，其是由一层超表面结构和一层介质层组成；基于多层超表面结构的交叉偏振转换器是由两层或两层以上超表面结构和相邻超表面结构中间的介质层组成。

单层超表面结构的交叉偏振转换器在实现线偏振转换时，偏振转换效率低，不超过25％，但是加工简单。而多层超表面结构的交叉线偏振转换器是基于法布里-珀罗共振来实现线偏振转换的增强，所以具有偏振转换效率高的优势。但多层超表面结构，因为其结构复杂，加工往往需要经过多次旋涂，光刻，镀金等复杂的工序，在可见光波段工作的多层超表面结构需要纳米尺度的加工，使加工过程很困难。因此，如何设计出具有最简单的多层超表面结构，并能实现高的偏振转换效率的交叉偏振转换器，是目前本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的交叉偏振转换光学器件不能同时实现结构简单和偏振转换效率高的效果，从而提供一种交叉偏振转换光学器件及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种交叉偏振转换光学器件的设计方法，包括：

固定介质层与“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算金属光栅层的光栅周期与光栅宽度；

固定所述金属光栅层与所述“C”结构金属层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述介质层的厚度；

固定所述金属光栅层和所述介质层的各参数不变，根据法珀共振理论计算所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度和终止角度；

调节所述“C”结构单元的外半径、内半径、起始角度或终止角度，各为多个不同值时，选择一组具有离散相位的“C”结构单元；

利用所述一组具有离散相位的“C”结构单元，设计所述“C”结构金属层的二维阵列；

由所述金属光栅层、所述介质层和所述“C”结构金属层组成所述交叉偏振转换光学器件，所述交叉偏振转换光学器件用于将入射的x偏振光转换成y偏振光。

作为上述设计方法的一种改进，所述x偏振光的频率为0.75THz。

作为上述设计方法的又一种改进，所述“C”结构金属层的材质采用金；所述介质层的材质采用硅半导体；所述金属光栅层的材质采用金。