一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面的圓偏振光分離器的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光信息傳輸及光學(xué)忍片集成領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表 面的圓偏振光分離器的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高清電視、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)正深刻地改變著人們 的生活，運些技術(shù)的發(fā)展無不對信息傳輸效率提出了更高的要求。自從高瑕1965年發(fā)明光 纖W來，人類在信息傳輸速率上取得了極大的提高，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了波分復(fù)用等技術(shù)， W提高傳輸容量。而事實上，光子自旋狀態(tài)是光子的本征狀態(tài)，分為左旋和右旋，兩者相互 正交，如果能在自旋狀態(tài)上加 W復(fù)用，勢必會極大提高現(xiàn)有的信息傳輸容量。由于缺乏有效 的工具，在均勻空間中很難將線偏振光中的不同自旋狀態(tài)的光束分離出來。得益于近年來 人工微結(jié)構(gòu)超表面一一人工制備具有各種特性的結(jié)構(gòu)單元組成的平面一一研究的發(fā)展，提 供了 一種方便實用的實現(xiàn)方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面的圓偏振光分離器的設(shè)計方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0005] 步驟(1)在600nm~20um的可見光到中紅外的波長帶寬范圍內(nèi)，選擇需要的工作波 長。入射線偏振光垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，根據(jù)所需要的左右旋光的出射方向，計算出 在人工微結(jié)構(gòu)超表面上所需要的相位梯度分布，W每四個人工微結(jié)構(gòu)超表面上的結(jié)構(gòu)單元 為一個大周期結(jié)構(gòu)，計算出每個結(jié)構(gòu)單元的周期。
[0006] 根據(jù)所需要的左右旋光的出射方向，計算出在人工微結(jié)構(gòu)超表面上所需要的相位 梯度分布。根據(jù)廣義Snel 1定律，折射公式表示為：
[0007]
W
[000引其中，λ為入射光束波長，且在均勻空氣中，沿Z軸正方向正入射光束，故nt=m = l， sin(0i)=0。因此得到；
[0009]
授）
[0010] 即通過表面相位梯度分布的變化改變出射光束的偏轉(zhuǎn)角0t。在人工微結(jié)構(gòu)超表面 上，W四個周期結(jié)構(gòu)為一個大周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，保證每一個大周期的相位變化為360°。設(shè) 人工微結(jié)構(gòu)超表面中每一個結(jié)構(gòu)的周期常數(shù)為P，則能夠得到：
[00"]
(3)
[001^ 將(3)式帶人(2)式，得到：
[001 引
（4)
[0014] 式(4)中，λ為入射光束波長是已知，確定好出射光的偏轉(zhuǎn)角θ*，從而計算出人工微 結(jié)構(gòu)超表面上的結(jié)構(gòu)單元的周期。運種周期采用的是四邊形結(jié)構(gòu)的周期排列方式。
[0015] 步驟(2)采用在工作波長損耗低的柱體結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元， 將得到的相位梯度分布結(jié)合平面上的周期性結(jié)構(gòu)單元確定具體的相位值。
[0016] 在每四個周期結(jié)構(gòu)組成的大周期結(jié)構(gòu)中，相位的排列方式分為X偏振方向和y偏振 方向，兩個偏振方向的相位延遲是相互獨立的，互不影響。且對于任意一個偏振方向，一個 大周期結(jié)構(gòu)的四個周期結(jié)構(gòu)中，相鄰兩個的相位延遲是相同的，另外兩個的相位延遲也是 相同的，它們之間的相位差為180%保證了在一個大周期的結(jié)構(gòu)中，相位梯度的變化為 360°。運樣，在人工微結(jié)構(gòu)超表面上，形成了人為的表面橫向波矢ij，表面橫向波矢累^的 大小表不為：
[0017]
微
[0018] 由于在大周期結(jié)構(gòu)中，兩種結(jié)構(gòu)相位差為180°的原因，使得人工微結(jié)構(gòu)超表面的 相位梯度變化的正負兩個方向上，均存在相位梯度，即波矢^的方向有兩個，同時存在向 左和向右兩個方向的波矢裹^。
[0019] 同樣在自由空間中空氣的折射率為1。入射線偏振光在空氣中的波矢用蠢J表示， 其方向沿光的傳播方向，即Z軸正方向，大小表示為：
[0020]
(6)
[0021] 根據(jù)公式(5)、（6)也計算出出射角：
[0022]
(7)
[0023] 將公式(5)、（6)帶入公式(7)可W得到公式(4)。
[0024] 在X和y兩個偏振方向的相位延遲梯度中，它們之間的相位排列在X方向有一個周 期P的空間排列差值。運個空間排列差值保證了出射的光束為左旋和右旋偏振光。
[0025] 當偏振方向與X軸夾角為45°方向的線偏振光入射時，出射光的兩個方向中，左邊 方向的偏振光為左旋偏振光，右邊方向的偏振光為右旋偏振光；當偏振方向與X軸夾角為- 45°方向的線偏振光入射時，出射光的兩個方向中，左邊方向的偏振光為右旋偏振光，右邊 方向的偏振光為左旋偏振光。
[0026] 步驟(3)根據(jù)每個基本單元的相位要求設(shè)計相應(yīng)的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終組合形成 人工微結(jié)構(gòu)超表面。在選取結(jié)構(gòu)單元的材料中，主要考察因素為在工作波段介電常數(shù)高且 損耗低，因此其材料包括但不限于娃(Si),錯(Ge)，二氧化鐵(Ti〇2)等一系列符合要求的材 料。同時，其結(jié)構(gòu)單元用柱狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。包含四邊柱狀，圓柱狀，楠圓柱狀在內(nèi)的一系列結(jié) 構(gòu)。
[0027] 本發(fā)明有益效果如下：
[0028] 本發(fā)明通過設(shè)計人工微結(jié)構(gòu)超表面，將特定的入射線偏振光調(diào)制，并在給定的方 向?qū)崿F(xiàn)所需得到的自旋光。
[0029] 本發(fā)明成功實現(xiàn)了調(diào)制自旋光的傳播方向，改變?nèi)肷渚€偏振光的偏振方向，使得 左右旋光的出射方向互換。本發(fā)明采用了在工作波段損耗低的娃和二氧化娃材料，具有透 過率高、損耗低等特點。
【附圖說明】
[0030] 圖1(a)為通過人工微結(jié)構(gòu)超表面實現(xiàn)透射方向可調(diào)的對稱式光子自旋分離示意 圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸夾角為45°。
[0031] 圖1(b)為通過人工微結(jié)構(gòu)超表面實現(xiàn)透射方向可調(diào)的對稱式光子自旋分離示意 圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸夾角為-45°。
[0032] 圖2(a)為人工微結(jié)構(gòu)超表面的相位分布示意圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸 夾角為45°。
[0033] 圖2(b)為人工微結(jié)構(gòu)超表面的相位分布示意圖，入射線偏振光的偏振方向與X軸 夾角為-45°。
[0034] 圖3為人人工微結(jié)構(gòu)超表面單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖4為人工微結(jié)構(gòu)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖5 (a)為X方向線偏振入射光的出射能量分布圖。
[0037] 圖5 (b)為y方向線偏振入射光的出射能量分布圖。
[0038] 圖6 (a)為X方向線偏振入射光的出射能量方向圖。
[0039] 圖6(b)為y方向線偏振入射光的出射能量方向圖。
[0040] 圖7(a)為X方向線偏振入射光的出射X方向電場圖。
[0041 ]圖7 (b)為y方向線偏振入射光的出射y方向電場圖。
[0042] 圖8 (a)為45°線偏振入射光的左出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0043] 圖8 (b)為45°線偏振入射光的右出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0044] 圖9 (a)為-45°線偏振入射光的左出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
[0045] 圖9(b)為-45°線偏振入射光的右出射方向X方向電場和y方向電場分布圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0047] -種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面的圓偏振光分離器的設(shè)計方法，具體包括W下步驟：
[0048] 步驟(1)在600nm~20um的可見光到中紅外的波長帶寬范圍內(nèi)，選擇需要的工作波 長。入射線偏振光垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，根據(jù)所需要的左右旋光的出射方向，計算出 在人工微結(jié)構(gòu)超表面上所需要的相位梯度分布，W每四個人工微結(jié)構(gòu)超表面上的結(jié)構(gòu)單元 為一個大周期結(jié)構(gòu)，計算出每個結(jié)構(gòu)單元的周期。
[0049] 如圖1所示，入射線偏振光沿Z軸正方向傳播，垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，在所需 得到的電磁場分布平面有左右兩個光斑，分別對應(yīng)左右旋光，它們與Z軸的夾角Θ*即是旋光 的出射方向。根據(jù)廣義Snell定律，折射公式可W表示為：
[(K)加]
0)
[0化1]運里設(shè)入射波波長為λ，在均勻空氣中，沿Z軸正方向正入射光束。nt = m = l，sin (θι)=〇。因此得到：
[00對
（巧
[0053] 通過出射光束的偏轉(zhuǎn)角Θ*可W確定人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位梯度變化。W四個 周期結(jié)構(gòu)為一個大周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，保證每一個大周期的相位變化為360°。設(shè)人工微結(jié) 構(gòu)超表面中每一個結(jié)構(gòu)的周期常數(shù)為P，則可W得到：
[0054]
(3)
[0化5] 將(3)式帶入(2)式，得到：
[0056]
(4)
[0057] 式(4)中，λ是已知的，確定好出射光Θ*的方向角度，就可W計算出人工微結(jié)構(gòu)超表 面上的結(jié)構(gòu)單元的周期。運種周期采用的是四邊形結(jié)構(gòu)的周期排列方式。
[0058] 步驟(2)在每四個周期結(jié)構(gòu)組成的大周期結(jié)構(gòu)中，相位的排列方式分為X偏振方向 和y偏振方向，兩個偏振方向的相位延遲是相互獨立的，互不影響。且對于任意一個偏振方 向，一個大周期結(jié)構(gòu)的四個周期結(jié)構(gòu)中，