[发明专利]一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件

说明书

本发明提供一种基于介质结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质柱结构，其中上层介质柱结构由变宽度和变旋转角度的纳米柱结构构成。本发明设计巧妙，结构简单，通过变宽度介质柱结构，可实现对电磁波高效率调控。本发明可用于设计消色差透镜、偏振测量、成像等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控技术领域，特别涉及一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件。

背景技术

对于传统偏振测量系统实现偏振态(SOP)的表征需要6次强度测量来确定全斯托克斯参数。这样的问题可以通过结合大量的光学实验元件(包括双折射晶体、棱镜或线栅偏振滤光片)连续测量解决。一个典型的例子，SOP通常使用一组排列适当的偏振元件进行计算，例如，偏振器和波片，它们被连续地放置在检测器前面的光路上。在这个方法中，通过测量通过这些偏振分量的光通量来确定唯一定义SOP的Stokes参数。但是，该系统体积庞大、结构复杂，不符合未来微型化和集成化光学器件的发展趋势。超表面一种由亚波长结构按照一定规律排布的新型人工电磁材料，其厚度小于一个波长。超表面对电磁波具有灵活的调控能力，包括偏振、相位、振幅。目前超表面偏振测量器件大多数都是由周期性结构排列组成，难以实现对不同波长在同一焦平面对全Stokes测量。其中一个解决方案，可以通过优化设计使用不同偏振敏感的小型超表面集成在同一块芯片上，这样可以有效的实现全Stokes参数测量。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出利用变宽度和变旋转角介质纳米柱结构，可实现对电磁波波前的连续调控，从而得到超表面偏振测量器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于介质柱结构的多波长消色差超表面偏振测量器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质纳米柱结构，其中上层介质纳米柱结构由变宽度和变旋转角纳米柱结构构成。首先采用介质纳米柱结构实现对相位的灵活调控，其次对纳米柱的宽度和旋转角进行调制，用于相位补偿，实现精准相位控制，最终实现多波长消色差超表面偏振测量器件。

其中，所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t10λ₀，介质纳米柱结构的厚度为h，其取值范围为hλ₀，λ₀为中心波长。

其中，所述纳米柱结构的横向周期为Px等于纵向周期为Py，其取值范围为Pyλ₀，λ₀为中心波长。

其中，所述介质柱结构中长度跨度为l₁，其取值范围为Px/5l₁Px，介质柱宽度为w₁，其变化范围为Py/5w₁Py。

其中，所述介质柱结构与介质衬底所用材料是针对于工作波段的低损耗介质材料，可用二氧化硅、硅、蓝宝石、砷化镓等材料。

本发明具有的有益效果在于：

首先，采用全介质结构，比起金属结构，损耗低、效率高；其次，利用纳米柱结构，实现对电磁波相位的灵活调控，尤其是对于多波长消色差偏振器件的设计优化，能够在同一焦平面处实现对6种不同偏振态的同时测量。该器件相比于传统测量有具有明显优势，效率高。最后，该发明具备结构简单、效率高等优势，能够进一步推广超表面器件的应用。

附图说明

图1为本发明的基于介质柱结构的超表面器件示意图，其中，图1中(a)为器件三维示意图，图1中(b)为器件俯视图及局部放大图；

图2为实施例1中本发明设计的两个个多波长消色差偏振敏感器件，图2中(a)-(f)x-z平面的仿真远场能量分布图，其中，图2中(a)-(c)分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的x偏振光消色差效果图，图2中(d)-(f)分别对波长为811nm，883nm，和1072nm的左旋圆偏振光消色差效果图，焦平面f＝47μm；