專利名稱：一種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制光偏振的光學器件，具體是指ー種基于金屬螺旋線陣列的、可以實現(xiàn)對電磁波偏振態(tài)進行調控的寬頻段波片。
背景技術：
波片(wave plate)是ー類可以改變其中傳播的電磁波的偏振態(tài)的光學器件，例如它可以把線偏振特性的入射電磁波變成圓偏振特性的電磁波，或者把圓偏振特性的入射電磁波變成線偏振的電磁波。原則上，通過厚度的控制它可以把某偏振特性的電磁波轉換為所需要的特定偏振特性的電磁波，其功能不同于起偏器(polarizer)，后者一般通過濾波的方式來實現(xiàn)-及將特定偏振特性的波反射掉或者僅讓特定偏振特性的波透射或折射出來而實現(xiàn)濾波。波片的工作原理一般是通過改變電磁波中相互正交的兩偏振態(tài)成分的相位差來達到調控電磁波偏振態(tài)的功能。最為簡單的波片就是利用天然的雙折射晶體，經(jīng)切割后 使光軸平行于晶體表面，電磁波正入射到波片表面，分解為相速度不同的兩種偏振態(tài)相互正交的電磁波，在波片中傳播一定長度后，使兩偏振態(tài)電磁波分量產(chǎn)生一定的相位差，出射后合成的電磁波的偏振態(tài)就發(fā)生了改變。波片作為最常見的ー類光學器件，應用十分廣泛，從功能上看，有二分之一波片、四分之一波片；從結構上看，有真零級波片、多級波片、復合波片等等。由于波片工作原理的限制，波片對于電磁波的波長十分敏感，一般的波片只能エ作在一個很小的工作頻段內；又由于雙折射晶體自身各向異性、熱脹等原因，波片對于入射角和溫度也十分敏感；相對于工作頻段波長，一般的天然雙折射晶體對兩種偏振態(tài)相互正交的電磁波的雙折射系數(shù)比較小，使得波片器件厚度相對于波長較厚(550nm為中心波長的真零級四分之一石英波片其厚度為15 μ m，石英的雙折射系數(shù)約為O. 0092)?，F(xiàn)有的技術和近期的ー些工作中，使用復合波片或波片組[OpticsExpress,vol. 13，No. 20,8318(2005)]的方式來改善器件的性能，以其實現(xiàn)寬角度和寬頻段波片功能，但這類技術方案結構相對復雜，對各部件的性能要求比較高，制備和使用上都有一定困難，展寬后其頻帶寬度也相對有限。近期隨著人工電磁特異材料研究的發(fā)展，有研究工作發(fā)現(xiàn)[OpticsExpress,vol. 17，No. 1,136(2005)]，使用開ロ環(huán)結構可以制備出調控電磁波偏振態(tài)的器件。這類エ作實際上是源于曲折線(Meander Line)偏振器[IEEE, Transactions on Antennas andPropagation, 21, 376 (1973)],其工作原理是通過對于人工諧振單元的參數(shù)設計,對于入射波的兩種偏振態(tài)相互正交的電磁波成分直接引入特定的相位差，使出射后合成的電磁波達到特定的偏振態(tài)。從工作原理上說，這類偏振器件和波片是完全不同的。從性能上說，這類偏振器件也有很多局限，工作頻段較窄，對于入射角度很敏感，且出射能量較低(工作頻段內約為入射能量的50% )。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術的器件工作頻段較小，對于入射角度敏感，且出射能量較低，以及結構相對復雜，對各部件的性能要求比較高，制備和使用上困難等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片。本發(fā)明成本低廉，制作簡單，可以方便地設計成具有二分之一波片、四分之一波片功能的人工材料，通過參數(shù)設計可以作為對理想的電磁波偏振態(tài)調控器件。原則上通過合適的設計可以得到針對特定中心波長來講任意厚度的波片、用于調節(jié)任意偏振特性的電磁波。只要通過合適的結構參數(shù)設計，該中心波長可以落在可見光波段、紅外波段、太赫茲波段或者微波波段。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術問題所采用的技術方案是提供ー種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片，該裝置包括 基質，切割構成均勻的周期網(wǎng)格陳列骨架；在基質骨架陳列的每個網(wǎng)格中插入ー個右旋金屬螺旋線。上述右旋金屬螺旋線為細金屬線盤成的彈簧狀螺旋線，一個或者多個右旋金屬螺旋線作為ー個周期単元在基質中排列成一個ニ維周期陣列。上述基質一般為介電常數(shù)較低的介電介質。在實施例中，上述基質為硬質聚氨酯泡沫骨架。本發(fā)明ー種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片，由于采取上述的技術方案，用均勻普通介電材質的基質，在其中填充排布金屬螺旋線，填充的金屬螺旋線由細金屬線盤成彈簧狀制成，這些結構上完全相同的金屬螺旋線彼此平行地插入到基質中排列成一個ニ維周期陣列，在實施例中是ニ維正方周期陣列。因此I、本發(fā)明的金屬螺旋線陣列具有ニ維周期性和平移対稱性，每個周期単元都是相同的金屬螺旋線，自身具有手征特性的金屬螺旋線結構對于兩種橢圓偏振態(tài)電磁波的具有不同電磁相應，導致其對于兩種橢圓偏振態(tài)電磁波的折射率不同，且在寬頻帶內雙折射系數(shù)穩(wěn)定、無頻率響應，使得其在寬頻帶內都有相同的調制電磁波偏振態(tài)的功能，實現(xiàn)了寬頻帶波片的功能。2、本發(fā)明的波片器件中，金屬結構占空比較小，因而整體的反射較小，在工作頻段內有很高的能量透過率。3、本發(fā)明的波片器件在較低的微波頻段，利用普通金屬加工技術即可制成，具有結構簡單，制作容易，成本低廉的特點和優(yōu)勢。而且這ー設計，通過結構尺寸的等比例縮放就可以延伸到太赫茲、紅外乃至可見光波段，針對各個頻段的器件制備上也可以利用現(xiàn)有的機械微加工、激光直寫、全息光刻技術來實現(xiàn)。4、為實現(xiàn)波片的功能,如射光的方向應該沿垂直于彈簧軸向的方向或者和其成一個銳角的方向入射。5、本發(fā)明主要是利用金屬螺旋線陣列構成的波片器件對于電磁波偏振態(tài)的調制，材料的雙折射系數(shù)比較大，波片厚度相對于工作波長比較小，故而從結構上看有利于實現(xiàn)波片器件的小型化、平板化，在微波、紅外頻段的信號處理、成像系統(tǒng)、寬頻帶信號接收機和發(fā)射機方面都可以有廣泛應用。6、實施例中金屬螺旋線陣列的波片功能是在微波波段實現(xiàn)的，該功能也可以在太赫茲、紅外乃至可見光波段實現(xiàn)，這可以通過等比例放縮的方法改變實施例中金屬螺旋線陣列的各個幾何參數(shù)來實現(xiàn)，也可以通過設計工作在特定頻段上類似的金屬螺旋線陣列結構來實現(xiàn)。由上所述，本發(fā)明解決了基于現(xiàn)有技術的波片工作頻段較窄，對于入射角度敏感，出射能量較低，以及結構相對復雜，對各部件的性能要求比較高，制備和使用上困難等問題，取得了工作頻帶寬(可以跨越接近兩個倍頻層)、能量透過率高、結構簡單、制作容易、成本低廉，以及損耗小等有益效果。


圖I為本發(fā)明一種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片的微波波段四分之一波片的結構不意圖，其中圖IA為樣品結構不意圖；圖IB為周期單兀的結構不意圖；圖2為圖I中 樣品的三面視圖，其中圖2A為正視圖；圖2B為頂視圖；圖2C為側視圖；圖3為圖I中的樣品的沿垂直于螺旋線軸向的透過光譜。圖中標記為1-基質；2_右旋金屬螺旋線。
具體實施例方式下面結合

本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖I為本發(fā)明的微波波段四分之一波片的結構示意圖，其中圖IA為樣品結構示意圖；圖IB為周期單兀的結構不意圖；圖2為圖I中的樣品的ニ面視圖，其中圖2A為正視圖；圖2B為頂視圖；圖2C為側視圖。如圖I或2的實施例所示，該裝置包括基質2，切割構成均勻的方格陳列骨架，在基質方格陳列的每個方格中插入有ー個右旋金屬螺旋線I (彈簧)。多個右旋金屬螺旋線作為周期單元在基質中排列成一個ニ維正方周期陣列。上述右旋金屬螺旋線I為參數(shù)定制的細金屬線盤成的彈簧狀螺旋線；上述基質2為硬質聚氨酯泡沫骨架。本實施例中，波片樣品的尺寸為800mmX660mmX77mm，金屬螺旋線結構參數(shù)為螺距4mm，螺旋直徑6mm，螺旋線線徑O. 6mm,長度為200倍螺距，樣品中金屬螺旋線排布成一個60X7的正方陣列，晶格常數(shù)為11mm。本實施方案中的四分之一波片的厚度約為相對工作頻段中心波長的I. 7倍。工作時，電磁波入射方向如圖I所不，垂直于軸向。圖3為圖I中的樣品的沿垂直于螺旋線軸向的透過光譜圖。在測定本發(fā)明器件作為四分之一波片功能的實驗中，使用高増益線極化喇叭天線發(fā)射、圓極化喇叭天線接收實驗結果。可以看到作為四分之一波片，在3. 6 9. 6GHz頻段內，水平線偏振波(偏振方向平行于螺旋線軸向)入射，透射波中是左旋圓偏振波；垂直線偏振波(偏振方向垂直于螺旋線軸向)入射，透射波中是右旋圓偏振波。如上所述的工作狀態(tài)下，在3. 6 9. 6GHz頻段內，透射電磁波軸比均大于85 %，在4 9GHz頻段內，透射電磁波軸比均大于95 % (理想圓偏振軸比為I)。本發(fā)明經(jīng)過對由單根螺旋線作為ー個周期単元的正方陣列的研究后發(fā)現(xiàn)，當由細金屬線盤成的彈簧狀螺旋線排列成ニ維周期性陣列后，這種人工結構在很寬的頻帶內支持沿垂直于軸向的兩種偏振態(tài)相互正交的電磁波(左橢圓和右橢圓偏振態(tài))傳播，且雙折射系數(shù)比較大。因而對于垂直于軸向傳播的電磁波(切平面內)，可以在寬頻帶內，較短的傳播長度內調控入射波的偏振態(tài)，可以作為理想的波片器件。本發(fā)明的原理及其達到的效果分析如下
本發(fā)明的金屬螺旋線陣列具有ニ維周期性和平移対稱性，每個周期単元都是相同的金屬螺旋線，自身具有手征特性的金屬螺旋線結構對于兩種橢圓偏振態(tài)電磁波的具有不同電磁相應，導致其對于兩種橢圓偏振態(tài)電磁波的折射率不同，且在寬頻帶內雙折射系數(shù)穩(wěn)定，使得其在寬頻帶內都有相同的調制電磁波偏振態(tài)的功能。本發(fā)明的波片器件中，金屬結構占空比較小，因而整體的反射較小，在工作頻段內有很高的能量透過率。本發(fā)明的波片器件在較低的微波頻段，利用普通金屬加工技術即可制成，具有結構簡單，制作容易，成本低廉的特點和優(yōu)勢。而且這ー設計，通過結構尺寸的等比例縮放就可以延伸到紅外波段，制備上也可以利用現(xiàn)已擁有的激光直寫、全息光刻技術即可實現(xiàn)。本發(fā)明主要是利用金屬螺旋線陣列構成的波片器件對于電磁波偏振態(tài)的調制，材料的雙折射系數(shù)比較大，波片厚度相對于工作波長比較小，故而從結構上看利于實現(xiàn)波片 器件的小型化、平板化，在微波、紅外頻段的信號處理、成像系統(tǒng)中都可以有廣泛應用。
權利要求
1.一種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片，其特征在于，該裝置包括基質，切割構成周期網(wǎng)格陳列的骨架；在基質骨架陳列的每個網(wǎng)格中插入有一個右旋或左旋的金屬螺旋線；多個右旋或左旋的金屬螺旋線作為周期単元在基質中排列成一個ニ維周期陣列。
2.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于所述的右旋或左旋的金屬螺旋線為細金屬線盤成的彈簧狀螺旋線。
3.如權利要求I或2所述的寬頻段波片，其特征在于所述的右旋或左旋的金屬螺旋線的螺距為4mm，螺旋直徑為6mm，螺旋線線徑為0. 6mm,長度為200倍螺距，多個金屬螺旋線排布成ー個60X7的正方陣列，晶格常數(shù)為11mm。
4.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于所述的基質為介電介質材料，如硬質聚氨酯泡沫材料。
5.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在干所述的波片尺寸為800mmX 660mmX 77mm。
6.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于所述的周期網(wǎng)格可以、但不限于是正方、三角、長方、菱形、六角等類型的周期網(wǎng)格。
7.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于周期網(wǎng)格的各個邊長在金屬螺旋直徑的I. 01倍到10倍之間。
8.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于螺旋線的螺距在金屬螺旋直徑的0.I倍到3倍之間。
9.如權利要求I所述的寬頻段波片，其特征在于螺旋線線徑在金屬螺旋直徑的0.01倍到0. 48倍之間。
10.如權利要求1、2、6、7、8、9所述的寬頻段波片，其特征在干金屬螺旋直徑可以是0.4微米到0. 4米之間的任意ー個數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制光偏振的光學器件，公開了一種基于金屬螺旋線陣列的寬頻段波片，包括切割構成周期網(wǎng)格陳列的基質骨架[1]；在每個周期網(wǎng)格中插入一個右旋或者左旋的金屬螺旋線[2]；該金屬螺旋線作為周期單元在基質中排列成一個二維周期陣列。本發(fā)明解決了現(xiàn)有器件工作頻段窄、效率低，以及結構復雜，制備和使用上困難等問題，取得了結構簡單、制作容易、成本低廉，以及損耗小，能量透過率高等有益效果。
文檔編號G02B5/30GK102651502SQ201110044348
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權日2011年2月24日
發(fā)明者余興, 李宏強, 李芳 , 武超 申請人:同濟大學