本發(fā)明涉及寬頻偏振光學，更具體為一種寬頻偏振光學器件及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超表面是由具有特殊電磁屬性的超原子按照一定的排列方式組成的二維平面結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調(diào)控，具有強大的光場操控能力。近年來，偏振相關(guān)的研究引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其中如何獲取寬帶光的偏振信息是該領(lǐng)域的核心問題。

2、傳統(tǒng)的探測技術(shù)需要結(jié)合偏振片、波片、透鏡等多種復雜的光學器件才可以對光的偏振和波前進行調(diào)制，導致整個系統(tǒng)復雜笨重，無法滿足小型化集成的需求。因此，需要提供一種新的技術(shù)方案給予解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種寬頻偏振光學器件及系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的探測技術(shù)需要結(jié)合偏振片、波片、透鏡等多種復雜的光學器件才可以對光的偏振和波前進行調(diào)制，導致整個系統(tǒng)復雜笨重，無法滿足小型化集成的需求的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種寬頻偏振光學器件及系統(tǒng)，包括：基底，所述基底為硅，所述基底的上部周期性排布有尺寸不同的硅柱，硅柱處于超表面的單元的中心處。

3、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述硅柱的形狀的橫截面為矩形或橢圓形中的一種，使得沿x軸和y軸偏振的波導模式具有不同的等效折射率，每個硅柱會對透射波施加偏振相關(guān)的相位延遲，這種針對正交偏振態(tài)的各向異性是實現(xiàn)獨立調(diào)控的關(guān)鍵。

4、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，包括：寬頻偏振光學系統(tǒng)，所述寬頻偏振光學系統(tǒng)由寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊、寬頻偏振超表面設(shè)計模塊和空間復用設(shè)計模塊組成。

5、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊令超表面對入射的x和y偏振波施加的相移分別表示為φx和φy，根據(jù)傳輸相位調(diào)控原理，透射相位φx和φy決于硅柱邊長lx和ly，該超表面可看作一種雙折射器件，其主軸沿x和y方向，通過選擇硅柱邊長這兩個幾何參數(shù)來選擇所需的透射相位φx和φy，柱高h和周期p的選擇依據(jù)是，盡量使單元結(jié)構(gòu)的相位調(diào)控范圍覆蓋多個2π相位，且保證單元結(jié)構(gòu)為小于工作波長，以避免高階衍射的產(chǎn)生，減少能量損失。

6、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述寬頻偏振超表面設(shè)計模塊中的超構(gòu)透鏡的聚焦相位分布的函數(shù)表達式如下：

7、

8、λ為自由空間中的工作波長，下標n表示偏振態(tài)角度，f為預設(shè)焦距，r為任意結(jié)構(gòu)單元中心位置(x，y)到焦點位置(x0，y0)的徑向距離，為了在寬頻范圍實現(xiàn)消色差功能，在公式中引入了一個額外的常數(shù)項cλ，n，它是與波長和偏振態(tài)相關(guān)的常數(shù)，可以通過優(yōu)化算法確定，使得超透鏡在一定寬頻內(nèi)實現(xiàn)消色差聚焦；

9、每個基元都應(yīng)當對入射的正交偏振光實現(xiàn)獨立調(diào)控，因此需要實現(xiàn)對多個波長和偏振態(tài)的多維度相位分布設(shè)計，在確定的相位分布下，在數(shù)據(jù)庫中選擇每個位置上最為合適的基元，通過這種逐點的掃描，最終形成了我們的寬頻偏振超透鏡。

10、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述復用設(shè)計模塊在確定了超透鏡的相位分布以后，光線從底部入射，透過設(shè)計器件后將不同波長及偏振態(tài)的光線分別匯聚于不同的焦點。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

12、本發(fā)明的寬頻偏振光學系統(tǒng)中包括寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊、寬頻偏振超表面設(shè)計模塊和空間復用設(shè)計模塊，利用偏振相關(guān)的獨立相位調(diào)控和消色差原理，在450～660nm帶寬內(nèi)實現(xiàn)了寬頻偏振透鏡功能，用于偏振光學小型化器件及系統(tǒng)。

技術(shù)特征：

1.一種寬頻偏振光學器件，其特征在于：包括：基底，所述基底為硅，所述基底的上部周期性排布有尺寸不同的硅柱，硅柱處于超表面的單元的中心處。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻偏振光學器件，其特征在于：所述硅柱的形狀的橫截面為矩形或橢圓形中的一種，使得沿x軸和y軸偏振的波導模式具有不同的等效折射率，每個硅柱會對透射波施加偏振相關(guān)的相位延遲，這種針對正交偏振態(tài)的各向異性是實現(xiàn)獨立調(diào)控的關(guān)鍵。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻偏振光學系統(tǒng)，其特征在于：包括：寬頻偏振光學系統(tǒng)，所述寬頻偏振光學系統(tǒng)由寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊、寬頻偏振超表面設(shè)計模塊和空間復用設(shè)計模塊組成。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬頻偏振光學系統(tǒng)，其特征在于：所述寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊令超表面對入射的x和y偏振波施加的相移分別表示為φx和φy，根據(jù)傳輸相位調(diào)控原理，透射相位φx和φy決于硅柱邊長lx和ly，該超表面可看作一種雙折射器件，其主軸沿x和y方向，通過選擇硅柱邊長這兩個幾何參數(shù)來選擇所需的透射相位φx和φy，柱高h和周期p的選擇依據(jù)是，盡量使單元結(jié)構(gòu)的相位調(diào)控范圍覆蓋多個2π相位，且保證單元結(jié)構(gòu)為小于工作波長，以避免高階衍射的產(chǎn)生，減少能量損失。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬頻偏振光學系統(tǒng)，其特征在于：所述寬頻偏振超表面設(shè)計模塊中的超構(gòu)透鏡的聚焦相位分布的函數(shù)表達式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬頻偏振光學系統(tǒng)，其特征在于：所述復用設(shè)計模塊在確定了超透鏡的相位分布以后，光線從底部入射，透過設(shè)計器件后將不同波長及偏振態(tài)的光線分別匯聚于不同的焦點。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種寬頻偏振光學器件及系統(tǒng)，包括：基底，所述基底為硅，所述基底的上部周期性排布有尺寸不同的硅柱，硅柱處于超表面的單元的中心處。本發(fā)明寬頻偏振光學系統(tǒng)中包括寬頻偏振超表面基元庫構(gòu)建模塊、寬頻偏振超表面設(shè)計模塊和空間復用設(shè)計模塊，利用偏振相關(guān)的獨立相位調(diào)控和消色差原理，在450～660nm帶寬內(nèi)實現(xiàn)了寬頻偏振透鏡功能，用于偏振光學小型化器件及系統(tǒng)。

技術(shù)研發(fā)人員：李偉,黃海陽
受保護的技術(shù)使用者：杭州超材光芯科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14