[发明专利]基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法

说明书

本发明提出一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法，采用二氧化硅作为光束偏折器的基底材料和光栅单元材料；利用两个一维光栅周期性排列构建光束偏折器的单元结构；设置入射光偏振态、工作频率、入射角；通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量来调制入射光的相位，并且有选择地将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度；加入厚度优化变量，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，最终得到能够将入射光引导到非常大的偏转角，并在广泛的偏转角范围内具有高的偏转效率的太赫兹光束偏折器。本发明中的偏折器能够实现大角度偏转、损耗小且易于加工、偏转效率高。

技术领域

本发明属于太赫兹和光场调控等技术领域，尤其涉及一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法。

背景技术

太赫兹波一般指波段位于0.1THz的毫米波和10THz的远红外线之间的电磁波。太赫兹波具有不同于微波、红外和X射线等电磁波的特点，太赫兹波在宽带移动通信、卫星通信、军用雷达、物体成像、环境监测、医疗诊断等方面具有显著的研究价值。

光场调控技术近年来吸引了广大科研工作者的强烈兴趣。事实上，任何光子技术本质上都是对光场的各个物理参量进行多种多样的调控，包括频率、波长、时间、振幅、相位、偏振等，从而实现光信息的加载、处理和提取。其中，光束的偏折控制处于至关重要的地位，一直以来都是光学领域的研究重点，在工业、通讯、生物医疗、天文观测和国防军事等众多领域有着广泛的应用。

目前应用于太赫兹波段传统的超表面光束偏折器，大都采用一系列尺寸或者方向不同的亚波长单元组成超表面结构,每个单元形成特定的相位突变，整体结构形成0-2π的相位梯度。当光垂直入射时，单元阵列引入相位梯度,就可以实现出射光角度的偏转。传统光束偏折器大多只能实现相对较小的偏折，在大的偏转角下器件效率会显著降低，并且传统的超表面器件以金属作为单元材料,这样会因为金属损耗而导致器件效率低下。因此设计一种大偏转角、高效率的太赫兹光束偏折器具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法，采用二氧化硅作为光束偏折器的基底材料和光栅单元材料；利用两个一维光栅周期性排列构建光束偏折器的单元结构；设置入射光偏振态、工作频率、入射角；通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量来调制入射光的相位，并且有选择地将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度；加入厚度优化变量，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，最终得到能够将入射光引导到非常大的偏转角，并在广泛的偏转角范围内具有高的偏转效率的太赫兹光束偏折器。本发明中的偏折器能够实现大角度偏转、损耗小且易于加工、偏转效率高。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器，其特征在于：首先利用两个一维光栅的周期性排列构建光束偏折器的单元结构；基于入射光偏振态、工作频率、入射角，通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量调制入射光的相位。

进一步地，采用二氧化硅作为基底材料和光栅单元材料。该材料在太赫兹波段透过率高；折射率n＝1.98；太赫兹波损耗小且易于加工。

进一步地，所述一维光栅结构为反射式或透射式衍射光栅。可以采用Au设置在二氧化硅基底的下方作为反射材料，制备反射式衍射光栅。

进一步地，以排列周期为优化变量调制入射光的相位的设计目标为：将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度。

更优地，进一步通过调整光栅的厚度和宽度控制入射光通过光栅整列的相位延迟，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，从而获得大偏转角的太赫兹光束偏折器。