平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。該光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法包括：設(shè)計(jì)一組天線：給定入射圓偏振光的波長(zhǎng)、天線常數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、天線的位置坐標(biāo)和光致結(jié)果的目標(biāo)參數(shù)，設(shè)計(jì)天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)；以所述天線為陣元，設(shè)計(jì)二維天線微陣列；由基底和具有所述二維天線微陣列結(jié)構(gòu)的金屬膜組成所述平面光學(xué)元件。本發(fā)明的方法通過(guò)調(diào)制天線陣元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而調(diào)制由圓偏振光入射時(shí)所激發(fā)的相反手性的圓偏振光的相位，將不同手性的圓偏振光聚焦到不同位置，從而達(dá)到分離左旋與右旋圓偏振光的目的，是一種可靠的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的平面光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了理想的偏振分離效果，填補(bǔ)了現(xiàn)有光學(xué)元件在圓偏振光分離方面的空缺。
【專利說(shuō)明】平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圓偏振光是電矢量在波面內(nèi)以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)而瞬時(shí)值大小不變的光波。由 垂直振動(dòng)合成的理論可知，振幅相等、偏振互相垂直且相位差為土 η/2的線偏振光可以合 成圓偏振光，根據(jù)相位差的正負(fù)分為左旋和右旋圓偏振光。
[0003] 現(xiàn)有的圓偏振光分離技術(shù)主要有兩種，一種是利用傳統(tǒng)的四分之一波片和偏振 片，左旋和右旋圓偏振光通過(guò)四分之一波片之后會(huì)成為偏振互相垂直的線偏振光，然后再 利用偏振片對(duì)產(chǎn)生的線偏振光進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓偏振光的區(qū)分。另一種技術(shù)是利用 光子的自旋霍爾效應(yīng)，當(dāng)圓偏振光在介質(zhì)分界面反射或折射時(shí)，為了保證總角動(dòng)量守恒，左 旋和右旋圓偏振光會(huì)在垂直入射面的橫向產(chǎn)生一個(gè)很小的相對(duì)位移，利用弱測(cè)量方法可以 觀測(cè)到這個(gè)很小的位移，實(shí)現(xiàn)圓偏振光的偏振分離。
[0004] 利用傳統(tǒng)四分之一波片和偏振片的方法雖然可以區(qū)分左旋和右旋圓偏振光，但是 在區(qū)分過(guò)程中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)四分之一波片或者偏振片觀察光強(qiáng)變化，而且左旋和右旋圓偏 振光在空間上并未分離，不利于實(shí)時(shí)直觀的區(qū)分圓偏振光的手性。這種方法利用了傳統(tǒng)的 光學(xué)元件，也不利于器件的小型化集成。
[0005] 利用光子自旋霍爾效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)左旋和右旋圓偏振光在空間上的分離，但是由于 自旋霍爾效應(yīng)非常弱，左旋和右旋圓偏振光的分離距離非常小，最大只到微米量級(jí)，需要復(fù) 雜的觀測(cè)系統(tǒng)，不利于直觀的觀測(cè)，而且也無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)圓偏振光偏振分離器件在直觀性、實(shí)時(shí)性和小型化 方面存在的問(wèn)題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種平面光學(xué)元件，用于實(shí)現(xiàn)全波段的圓偏振光 的偏振分離。該平面光學(xué)元件包括：
[0008] 基底；
[0009] 金屬膜，設(shè)置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線微陣列結(jié)構(gòu)，所述二維天線 微陣列包含多個(gè)天線陣元；
[0010] 所述多個(gè)天線陣元具有不同的傾角。
[0011] 所述平面光學(xué)元件用于實(shí)現(xiàn)全波段的圓偏振光的偏振分離。
[0012] 優(yōu)選地，所述基底的材料采用對(duì)所用光波段透明的材料。
[0013] 優(yōu)選地，所述金屬膜的材質(zhì)為良導(dǎo)體。
[0014] 優(yōu)選地，所述良導(dǎo)體為金、銀、銅或鋁。
[0015] 所述天線陣元為狹縫，相鄰的所述狹縫之間為所述良導(dǎo)體；或者所述天線陣元由 所述良導(dǎo)體制成，相鄰的所述天線陣元之間為空氣。
[0016] 優(yōu)選地，所述天線陣元為矩形結(jié)構(gòu)、"C"形結(jié)構(gòu)或"V"形結(jié)構(gòu)。
[0017] 本發(fā)明還提供了一種平面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)對(duì)全波段圓偏振光進(jìn)行 偏振分離的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述方法包括：
[0018] 設(shè)計(jì)一組天線：給定入射圓偏振光的波長(zhǎng)、天線常數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、天線的位置坐標(biāo)和 光致結(jié)果的目標(biāo)參數(shù)，設(shè)計(jì)所述天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0019] 以所述天線為陣元，設(shè)計(jì)二維天線微陣列；
[0020] 由基底和具有所述二維天線微陣列結(jié)構(gòu)的金屬膜組成所述平面光學(xué)元件。
[0021] 所述平面光學(xué)元件用于實(shí)現(xiàn)全波段的圓偏振光的偏振分離。
[0022] 優(yōu)選地，所述光致結(jié)果的目標(biāo)參數(shù)為所述入射光發(fā)生偏振分離后會(huì)聚光束的焦距 和兩焦點(diǎn)分開(kāi)距離。
[0023] 優(yōu)選地，所述天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)為天線的傾角。
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例的方法通過(guò)調(diào)制天線陣元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而調(diào)制由圓偏振光入射到 該平面光學(xué)元件時(shí)所激發(fā)的相反手性的圓偏振光的相位，將不同手性的圓偏振光聚焦到不 同位置，從而實(shí)現(xiàn)分離左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的目的，是一種可靠的設(shè)計(jì)方法。根據(jù) 本發(fā)明實(shí)施例的方法設(shè)計(jì)的平面光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了理想的偏振分離效果，填補(bǔ)了現(xiàn)有光學(xué) 元件在圓偏振光分離方面的空缺。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的平面光學(xué)元件的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2a是本發(fā)明實(shí)施例的矩形天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2b是本發(fā)明另一實(shí)施例的"C"形天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2c是本發(fā)明另一實(shí)施例的"V"形天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的矩形天線對(duì)圓偏振光進(jìn)行偏振分離的示意圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的具有矩形天線陣列的平面光學(xué)元件激發(fā)的透射場(chǎng)的穩(wěn)態(tài) 振幅譜的模擬圖譜；
[0031] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的具有矩形天線陣列的平面光學(xué)元件激發(fā)的透射場(chǎng)的穩(wěn)態(tài) 振幅譜的實(shí)驗(yàn)圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033] 本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)出了具有特定結(jié)構(gòu)的天線微陣列的平面光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓 偏振光的偏振分尚。
[0034] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的平面光學(xué)元件的部分結(jié)構(gòu)示意圖。該平面光學(xué)元件可用 于實(shí)現(xiàn)全波段的圓偏振光的偏振分離。如圖所示，該平面光學(xué)元件包括：基底11和金屬膜 12?；?1的材料采用對(duì)所用光波段具有高透過(guò)率的材料，如硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)體，厚 度范圍為300 μ m?1000 μ m。金屬膜12可采用良導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等貴金屬，厚度范 圍為100nm?lOOOnm，設(shè)置在基底11上。金屬膜12上設(shè)置有二維天線微陣列13,可以是 方形陣列、圓形陣列或其他形狀的陣列，陣列的大小具體根據(jù)入射光斑的大小來(lái)設(shè)定。該二 維天線微陣列13包含N個(gè)天線陣元，且N彡36。每一個(gè)天線陣元的結(jié)構(gòu)可以是矩形、"C" 形、"V"形以及其他結(jié)構(gòu)。相鄰兩個(gè)天線陣元之間的間隔大小為亞波長(zhǎng)。天線陣元可以是 狹縫，此時(shí)相鄰陣元之間是良導(dǎo)體；天線陣元也可以由良導(dǎo)體制成，此時(shí)相鄰陣元之間是空 氣。當(dāng)陣元的結(jié)構(gòu)及陣列的排布都相同時(shí)，分別包含這兩種形式的天線陣元的兩種對(duì)應(yīng)天 線陣列，稱其中一種為另一種的反結(jié)構(gòu)天線陣列。
[0035] 優(yōu)選地，本發(fā)明實(shí)施例中，基底11的材料采用硅半導(dǎo)體，厚度為500 μ m ;金屬膜12 采用金材質(zhì)，厚度為l〇〇nm ;金屬膜12具有的二維天線陣列13的陣列大小為250*250。
[0036] 圖2a是本發(fā)明實(shí)施例的矩形天線的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2a所示，該矩形天線的長(zhǎng) 的范圍是120 μ m?180 μ m，寬的范圍是40 μ m?80 μ m ;矩形天線的傾角P的分布范圍為 0到η。優(yōu)選地，本發(fā)明實(shí)施例中，所有矩形天線陣元的長(zhǎng)為150 μ m，寬為50 μ m;相鄰天線 陣元之間的間隔為200 μ m。
[0037] 圖2b是本發(fā)明又一實(shí)施例的"C"形天線的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2b所示，該"C"形天 線為一段圓弧形狹縫，圓弧半徑r的范圍為30 μ m?80 μ m，張角Θ的范圍為20°?180°， 狹縫寬度w范圍為5μπι?10ym;"C"形天線的傾角供的分布范圍為0到π。優(yōu)選地，本發(fā) 明實(shí)施例中，所有"C"形天線的半徑為35 μ m，張角為30°，狹縫寬度為5 μ m ;相鄰天線陣 元之間的間隔為100 μ m。
[0038] 圖2c是本發(fā)明又一實(shí)施例的"V"形天線的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2c所示，該"V"形 天線由兩個(gè)矩形狹縫組成，狹縫長(zhǎng)度1的范圍為50μπι?150μπι，張角Θ的范圍為20°? 90°，狹縫寬度w范圍為ΙΟμπι?20ym ;"V"形天線的傾角滬的分布范圍為0到π。優(yōu)選 地，本發(fā)明實(shí)施例中，所有"V"形天線的狹縫長(zhǎng)度為90 μ m，張角為60°，狹縫寬度為15 μ m ; 相鄰天線陣元之間的間隔為150 μ m。
[0039] 本發(fā)明實(shí)施例的平面光學(xué)元件，可對(duì)全波段的圓偏振光進(jìn)行偏振分離。當(dāng)一束圓 偏振光入射到該平面光學(xué)兀件上時(shí)，可同時(shí)激發(fā)一個(gè)偏振分離的透射場(chǎng)和一個(gè)偏振分離的 反射場(chǎng)。
[0040] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的矩形天線對(duì)圓偏振光進(jìn)行偏振分離的示意圖。如圖所示， 當(dāng)左旋圓偏振光入射時(shí)，激發(fā)的透射場(chǎng)中的右旋圓偏振光會(huì)在左邊聚焦；而當(dāng)右旋圓偏振 光入射時(shí)，激發(fā)的透射場(chǎng)中的左旋圓偏振光會(huì)在右邊聚焦。激發(fā)的圓偏振光的相位只與矩 形天線傾角有關(guān)，表達(dá)式為：
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 一種平面光學(xué)元件，用于實(shí)現(xiàn)全波段的圓偏振光的偏振分離，其特征在于，所述平面 光學(xué)元件包括： 基底； 金屬膜，設(shè)置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線微陣列結(jié)構(gòu)，所述二維天線微陣 列包含多個(gè)天線陣元； 所述多個(gè)天線陣元具有不同的傾角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述基底的材料采用對(duì)所用光 波段透明的材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述金屬膜的材質(zhì)為良導(dǎo)體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述良導(dǎo)體為金、銀、銅或鋁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述天線陣元為狹縫，相鄰的所 述狹縫之間為所述良導(dǎo)體；或者所述天線陣元由所述良導(dǎo)體制成，相鄰的所述天線陣元之 間為空氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光學(xué)元件，其特征在于，所述天線陣元為矩形結(jié)構(gòu)、"C" 形結(jié)構(gòu)或"V"形結(jié)構(gòu)等。
7. -種平面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)對(duì)全波段圓偏振光進(jìn)行偏振分離的平面光 學(xué)元件，其特征在于，所述方法包括： 設(shè)計(jì)一組天線：給定入射圓偏振光的波長(zhǎng)、天線常數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、天線的位置坐標(biāo)和光致 結(jié)果的目標(biāo)參數(shù)，設(shè)計(jì)所述天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)； 以所述天線為陣元，設(shè)計(jì)二維天線微陣列； 由基底和具有所述二維天線微陣列結(jié)構(gòu)的金屬膜組成所述平面光學(xué)元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述平面光學(xué)元件用于實(shí)現(xiàn)全波段的圓 偏振光的偏振分尚。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述光致結(jié)果的目標(biāo)參數(shù)為所述入射光 發(fā)生偏振分離后會(huì)聚光束的焦距和兩焦點(diǎn)分開(kāi)距離。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)為天線的傾 角。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK104101933SQ201410336442
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】張巖, 王森 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)