[发明专利]基于介质超表面的偏振发生器及其设计方法

说明书

本发明提供了一种基于介质超表面的偏振发生器及其设计方法。所设计偏振发生器由三组双振态聚焦超表面集成，根据抛物线型相位分布，分别将入射光的x线偏振分量和y线偏振分量、45°线偏振分量和135°线偏振分量，以及左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量提取并聚焦到透射面的六个不同位置。该透射型超表面由两层结构组成，基底和亚波长厚度的矩形柱阵列。透射性超表面的透射型共振单元由矩形纳米天线构成，利用双相位调制法，通过改变长和宽以及光轴旋转角，实现对不同偏振态的相位响应。本设计方法对于不同的入射波长，可以选择相应波段的高透性材料设计超表面，因此具有很高的灵活性，而且结构设计简单，便于加工，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于基于人工复合材料超表面的集成光学器件设计的技术领域，具体涉及基于介质超表面平面透镜和双相位调控方法。

背景技术

偏振光的产生和处理传统上是利用一系列设置好的偏振器件，例如连续放置在探测器前的光路上的偏振计和波片。基于传统的离散光学组件体积大、测量复杂、成本较高，无法满足当今对光学器件集成化的要求。人造表面纳米结构——光学超表面的产生，以其在光学调控方面的简化和制造技术的发展，吸引了大量的关注。超表面具有超薄、微型的特点，解决了体积问题带来的劣势，可以实现传统光学器件的功能，同时便于集成在光子芯片上，正逐步取代传统光偏振器件。电介质超表面的出现，不仅提高了效率，还可以利用比较成熟的半导体制作工艺来制作，降低了制造成本，有利于实现高透射、低损失、具有兼容性的光学器件。

偏振产生最简单的方法是使用偏振器，它作为一种光学透射滤光器，只能允许特定的偏振通过，阻挡了其他偏振态。这种装置多数用于产生线偏振光，而且在得到所需偏振态的同时，其他偏振态直接被滤除，损失了相应的能量，透射的亮度也会减小。

理想的情况是，任意偏振态的入射光经过偏振发生器后，不仅可以产生所需的偏振态，还可以保留其他偏振态的能量，然后将能量汇聚起来，用于后续的探测、成像或计算等。

本发明设计了一种基于全介质超表面的透射式偏振发生器，它可以将入射的任意偏振态的光同时转换成6种偏振态，包括x线偏振光、y线偏振光、45°线偏振光、135°线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并且每种偏振态分别聚焦在不同的位置，实现单一光束的偏振态分离。偏振发生器的多功能性和紧凑性可以将任何入射波转换成任意偏振的光束，对实现一套完整的平面光学集成具有重要的影响，同时在成像、传感和探测等领域，都有广泛的应用。

发明内容

基于介质超表面的偏振发生器的设计方法，步骤如下：

第一步：计算得出超表面每个单元共振器对不同偏振态的入射光的相位响应，选择矩形柱结构作为共振单元，经过优化，确定共振单元的最优高度。

第二步：双相位响应超表面的设计，当θ＝0°，同时调整矩形柱的长度l和宽度w，实现任意的和的相位组合，从而实现一个单元共振器对x线偏振态和y线偏振态的同时相位调制；当θ＝45°，同时调整矩形柱的长度l和宽度w，实现任意的和的相位组合，实现一个单元共振器对45°线偏振态和135°线偏振态的同时相位调制。矩形柱长度l和宽度w固定，只改变旋转角度θ，得到共振单元对圆偏振态的相位调制。

第三步：三组双偏振态聚焦超表面的设计。根据聚焦公式：

得到每个共振单元所需的聚焦相位，并得到相应的结构尺寸。

第四步：偏振发生器的集成，将上述三组超表面组合成一个完整结构。

本发明介绍了一种基于超表面的偏振发生器，基本结构单元是硅纳米柱，如图1(a)所示。6种偏振态同时生成的功能主要由三种双偏振态聚焦透镜(MS1、MS2、MS3)组合实现。图1(b)给出了偏振分布，第一部分(MS1)生成x和y线偏振光，并分别实现聚焦；第二部分(MS2)产生45°线偏振光和135°线偏振光：第三部分(MS3)产生左旋和右旋圆偏振光，并实现聚焦。