[发明专利]一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪

说明书

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪。

背景技术

偏振态测量仪在高速光通信、偏振成像、激光技术等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，主要有两类偏振态测量方法：一类是利用四分之一波片和线偏振片不同旋向的组合对入射光进行多次测量，利用测得的数据计算出入射光的斯托克斯参量，这种方法的缺点是要进行多次测量，无法对瞬间的偏振态进行判断；另一类是将待测光分成几路，每一路的待测光用已固定好旋向的四分之一波片以及线偏振片进行探测，这种方法实现了瞬态的数据采集，但是系统庞大、复杂并且成本高。

近年来，一种二维的超表面材料被用在调控光的强度、相位、偏振态中，为偏振态的探测提供了新的思路。2015年，Anders Pors等人利用一种具有双折射性质的间隙表面等离子体的超表面结构引入对不同偏振态分量的入射光的相位梯度调制，成功将入射光中的偏振态分量分离到不同的出射方向，通过实时探测各个方向衍射光的强度，计算出瞬态的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态，(Anders Pors,等.“Plasmonic metagratings for simultaneous determination of Stokes parameters,”Optica 2,716-723(2015))；其所采用的器件材料为金和二氧化硅，是在一层较厚的金层上覆盖一层纳米尺度厚的二氧化硅、再在其上沉积一层在空间尺度上不断变化的纳米金块阵列所形成的结构；由于在使用透射光来进行探测时，纳米金块阵列对于入射光有较大的损耗，在保留纳米金属块对入射光相位调制能力的同时，利用一种间隙表面等离子体的结构增大对于入射光的反射率，减小对入射光的损耗，并利用反射光进行探测；然而，由于使用了金属元素，不可避免存在较大的光损耗；另外，由于是利用反射光进行探测，难以实现近场的探测，系统需要使用多个光学透镜将衍射到不同方向的光聚焦到探测器表面，增加了系统的复杂度，限制了器件的集成度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，其目的在于提高偏振态器件的探测灵敏度，并且提高器件集成度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；

其中，介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触，多个基本模块共同构成具有厚度的平面结构；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态；

每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，相邻两块平面聚焦镜相互接触；第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；上述四个平面聚焦镜的焦距相同；

其中，第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；这四个平面聚焦镜对于入射光中上述四种偏振分量之外的其余偏振分量起透射作用，但没有聚焦作用，其余偏振分量的透过光散布在探测器阵列表面作为背景光。

优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜包括多个基础单元，每个基础单元包括基板与设于基板上的截面为椭圆的硅柱；相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一平面聚焦镜；

其中，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大，通过调整硅柱截面椭圆的长、短轴，对入射光实现在2π范围内的相位调制。

优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其基础单元的基板材料为石英。

优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的逆时针旋向角固定为0。

优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的长轴和短轴满足以下关系：