[发明专利]一种基于金属螺旋线阵列的宽频段波片

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制光偏振的光学器件，具体是指一种基于金属螺旋线阵列的、可以实现对电磁波偏振态进行调控的宽频段波片。

背景技术

波片(wave plate)是一类可以改变其中传播的电磁波的偏振态的光学器件，例如它可以把线偏振特性的入射电磁波变成圆偏振特性的电磁波，或者把圆偏振特性的入射电磁波变成线偏振的电磁波。原则上，通过厚度的控制它可以把某偏振特性的电磁波转换为所需要的特定偏振特性的电磁波，其功能不同于起偏器(polarizer)，后者一般通过滤波的方式来实现-及将特定偏振特性的波反射掉或者仅让特定偏振特性的波透射或折射出来而实现滤波。波片的工作原理一般是通过改变电磁波中相互正交的两偏振态成分的相位差来达到调控电磁波偏振态的功能。最为简单的波片就是利用天然的双折射晶体，经切割后使光轴平行于晶体表面，电磁波正入射到波片表面，分解为相速度不同的两种偏振态相互正交的电磁波，在波片中传播一定长度后，使两偏振态电磁波分量产生一定的相位差，出射后合成的电磁波的偏振态就发生了改变。波片作为最常见的一类光学器件，应用十分广泛，从功能上看，有二分之一波片、四分之一波片；从结构上看，有真零级波片、多级波片、复合波片等等。由于波片工作原理的限制，波片对于电磁波的波长十分敏感，一般的波片只能工作在一个很小的工作频段内；又由于双折射晶体自身各向异性、热胀等原因，波片对于入射角和温度也十分敏感；相对于工作频段波长，一般的天然双折射晶体对两种偏振态相互正交的电磁波的双折射系数比较小，使得波片器件厚度相对于波长较厚(550nm为中心波长的真零级四分之 一石英波片其厚度为15μm，石英的双折射系数约为0.0092)。

现有的技术和近期的一些工作中，使用复合波片或波片组[OpticsExpress，vol.13，No.20，8318(2005)]的方式来改善器件的性能，以其实现宽角度和宽频段波片功能，但这类技术方案结构相对复杂，对各部件的性能要求比较高，制备和使用上都有一定困难，展宽后其频带宽度也相对有限。

近期随着人工电磁特异材料研究的发展，有研究工作发现[OpticsExpress，vol.17，No.1，136(2005)]，使用开口环结构可以制备出调控电磁波偏振态的器件。这类工作实际上是源于曲折线(Meander Line)偏振器[IEEE，Transactions on Antennas and Propagation，21，376(1973)]，其工作原理是通过对于人工谐振单元的参数设计，对于入射波的两种偏振态相互正交的电磁波成分直接引入特定的相位差，使出射后合成的电磁波达到特定的偏振态。从工作原理上说，这类偏振器件和波片是完全不同的。从性能上说，这类偏振器件也有很多局限，工作频段较窄，对于入射角度很敏感，且出射能量较低(工作频段内约为入射能量的50％)。

发明内容

为了解决现有技术的器件工作频段较小，对于入射角度敏感，且出射能量较低，以及结构相对复杂，对各部件的性能要求比较高，制备和使用上困难等问题，本发明的目的在于提供一种基于金属螺旋线阵列的宽频段波片。本发明成本低廉，制作简单，可以方便地设计成具有二分之一波片、四分之一波片功能的人工材料，通过参数设计可以作为对理想的电磁波偏振态调控器件。原则上通过合适的设计可以得到针对特定中心波长来讲任意厚度的波片、用于调节任意偏振特性的电磁波。只要通过合适的结构参数设计，该中心波长可以落在可见光波段、红外波段、太赫兹波段或者微波波段。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于金属螺旋线阵列的宽频段波片，该装置包括：

基质，切割构成均匀的周期网格阵列骨架；在基质骨架阵列的每个网格 中插入一个右旋金属螺旋线。上述右旋金属螺旋线为细金属线盘成的弹簧状螺旋线，一个或者多个右旋金属螺旋线作为一个周期单元在基质中排列成一个二维周期阵列。上述基质一般为介电常数较低的介电介质。在实施例中，上述基质为硬质聚氨酯泡沫骨架。

本发明一种基于金属螺旋线阵列的宽频段波片，由于采取上述的技术方案，用均匀普通介电材质的基质，在其中填充排布金属螺旋线，填充的金属螺旋线由细金属线盘成弹簧状制成，这些结构上完全相同的金属螺旋线彼此平行地插入到基质中排列成一个二维周期阵列，在实施例中是二维正方周期阵列。因此：