一种基于磁电耦合的完美圆偏振分离器
阅读说明：本技术 一种基于磁电耦合的完美圆偏振分离器 (Perfect circular polarization separator based on magnetoelectric coupling ) 是由 李汶佳 刘建龙 王东彬 史金辉 关春颖 朱正 李玉祥 吕博 徐文霞 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于磁电耦合的完美圆偏振分离器,由陶瓷圆盘和中心空气孔构成,陶瓷圆盘和中心空气孔的旋转轴重合,中心空气孔不能贯穿陶瓷圆盘,目的是实现结构的磁电耦合,入射光为线偏振平面光,传播方向垂直于结构的旋转轴；所述的线偏振平面光的极化方向平行或垂直于结构的旋转轴。本发明采用了陶瓷材料作为基础材料,具备成本低廉的优势；平面光入射简化了以往实现完美圆偏振分离的复杂光源装置；陶瓷圆盘和中心空气孔复合结构的磁电耦合特性有益于激发一般结构很难激发的纵向偶极模式,进而构建横向自旋偶极矩,能够有效实现左旋和右旋圆偏振的完美分离。(The invention provides a perfect circular polarization separator based on magnetoelectric coupling, which consists of a ceramic disc and a central air hole, wherein the rotating shafts of the ceramic disc and the central air hole are superposed, and the central air hole cannot penetrate through the ceramic disc, so that the magnetoelectric coupling of a structure is realized, incident light is linearly polarized planar light, and the propagation direction is vertical to the rotating shaft of the structure; the polarization direction of the linear polarization plane light is parallel to or vertical to the rotating shaft of the structure. The ceramic material is used as a base material, so that the ceramic material has the advantage of low cost; the planar light incidence simplifies the prior complex light source device for realizing perfect circular polarization separation; the magnetoelectric coupling characteristic of the ceramic disc and central air hole composite structure is beneficial to exciting a longitudinal dipole mode which is difficult to excite by a common structure, so that a transverse spin dipole moment is constructed, and the perfect separation of left-handed circular polarization and right-handed circular polarization can be effectively realized.)
技术领域
本发明是一种关于输入光信号的正交圆偏振状态分离装置，尤其涉及一种基于磁电耦合的完美圆偏振分离器，其主要用途是在散射远场中，需要将输入光信号按左旋圆偏振和右旋圆偏振状态进行横向对称分离和输出。
背景技术
光可以分解为两种正交左旋和右旋圆偏振态。完美圆偏振分离是指左旋和右旋圆偏振光横向对称分离的现象。以往单个结构装置实现完美圆偏振分离需要依赖于聚焦光束，原理是通过聚焦光束激发结构的纵向偶极模式，从而构建横向自旋电偶极矩。但这种方法实现起来难度较大，不具有普遍性。
近年来，磁电耦合结构凭借其独特的物理特性引起了人们的关注。磁电耦合是电磁场与电磁偶极矩之间的交叉耦合，即电场到磁偶极矩的耦合以及磁场到电偶极矩的耦合。结构的磁电耦合特性能够为散射远场调控提供了一个额外的自由度，可以有效激发不同类型的偶极式。
因此，利用结构磁电耦合激发合适的纵向偶极模式与横向偶极模式，构建横向自旋偶极矩实现完美圆偏振分离是一种可行的方案，并具有简单高效的优势。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前大多数单个结构实现完美圆偏振分离依赖于聚焦光束和表面波，实现方法复杂的问题，而提供一种新型的基于磁电耦合的完美圆偏振分离器。通过改变线偏振平面光入射的频率、偏振态和结构的参数，能够实现结构的磁电耦合特性的调节。经过合理的调节结构的磁电耦合特性，构建横向自旋偶极矩，能够弥补单个结构实现完美圆偏振分离的难度大的缺点，并能够有效构建不同类型的横向自旋偶极矩，从而实现简单高效的左旋和右旋圆偏振横向对称分离。
本发明的技术方案是：
本发明采用如下技术方案：所述基于磁电耦合的完美圆偏振分离器由陶瓷圆盘和中心空气孔构成，陶瓷圆盘和中心空气孔的旋转轴重合。中心空气孔不能贯穿陶瓷圆盘，目的是实现结构的磁电耦合。入射光为线偏振平面光，传播方向垂直于结构的旋转轴。
本发明两个实施例中，所述的陶瓷圆盘的半径为15mm；
本发明两个实施例中，所述的陶瓷圆盘的高度为12mm；
本发明两个实施例中，所述的中心空气孔的半径为4.5mm；
本发明两个实施例中，所述的中心空气孔的高度为9.4mm；
本发明实施例1中，所述的线偏振平面光的极化方向平行于结构的旋转轴。
本发明实施例2中，所述的线偏振平面光的极化方向垂直于结构的旋转轴。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
本发明采用了陶瓷材料作为基础材料，具备成本低廉的优势；平面光入射简化了以往实现完美圆偏振分离的复杂光源装置；陶瓷圆盘和中心空气孔复合结构的磁电耦合特性有益于激发一般结构很难激发的纵向偶极模式，进而构建横向自旋偶极矩，能够有效实现左旋和右旋圆偏振的完美分离。
附图说明
图1为本发明的基于磁电耦合的完美圆偏振分离器的结构示意图，其中，图1(a)为两个实施例中的亚波长结构示意图，图1(b)为散射远场完美圆偏振分离的示意图；
图2为本发明的两个实施例中磁电耦合结构与非磁电耦合结构及其远场偏振随入射光角度变化的对比图，其中，(a)和(b)是磁电耦合结构与非磁电耦合结构的示意图，(c)和(d)是磁电耦合结构与非磁电耦合结构的远场偏振随入射光角度的变化图；
图3为本发明的两个实施例中磁电耦合结构的极化率张量和远场平均斯托克斯偏振参数S3随结构尺寸和入射光频率的变化图，其中，(a)和(b)是磁电耦合结构的极化率张量随结构尺寸和入射光频率的变化图，(c)和(d)是远场平均斯托克斯偏振参数S3随结构尺寸和入射光频率的变化图；
图4为本发明的实施例一中完美圆偏振分离的散射远场偏振和强度分布图，其中，(a)是远场的偏振分布图，(b)x-y平面和x-z平面的远场强度分布图；
图5为本发明的实施例一中磁电耦合结构与非磁电耦合结构的远场偏振的对比图，其中(a)和(b)是磁电耦合结构远场x>0半球和x<0半球的偏振奇点分布图，(c)和(d)是非磁电耦合结构远场x>0半球和x<0半球的偏振奇点分布图；
图6为本发明的实施例一中完美圆偏振分离的散射远场偏振和强度分布图，其中，(a)是远场的偏振分布图，(b)是x-y平面和x-z平面的远场强度分布图。
具体实施方式
下面给出实施例，对一种基于磁电耦合的圆偏振分离器作进一步描述。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例一
一种基于磁电耦合的空气孔陶瓷圆盘圆偏振分离器的结构示意图如图1(a)所示，基于磁电耦合的空气孔陶瓷圆盘由中心空气孔和陶瓷圆盘组成，入射线偏振平面光的极化方向平行于结构的旋转轴。图1(b)为散射远场完美圆偏振分离的示意图，此时需激发出结构的横向自旋偶极矩。利用偶极子模型，通过理论计算能够得到散射半球的平均斯托克斯偏振参数S3衡量散射远场的偏振分离效果。
图2(a)描绘了线偏振光入射磁电耦合圆偏振分离器的示意图，入射光与z轴之间的夹角为β。陶瓷圆盘的半径R0和高度H0分别为15mm和12mm，中心空气孔的半径r0和高度h0分别为4.5mm和9.4mm，入射光频率为2.55GHz。随着入射线偏振光的传播方向的改变，结构散射远场的偏振分离效果随之变化，其变化关系如图2(c)。散射远场的偏振分离效果通过散射半球的平均斯托克斯偏振参数S3来表示。由图2(c)可以看出当入射角为90°，即入射方向垂直于结构的旋转轴时，偏振分离的效果最强。图2(b)描绘了线偏振光入射非磁电耦合结构的示意图，入射光与z轴之间的夹角为β。非磁电耦合结构由实心的陶瓷圆盘构成，陶瓷圆盘的半径R0和高度H0分别为15mm和12mm，入射光频率为2.55GHz。图2(d)显示了陶瓷圆盘散射远场偏振分离随入射角度的变化关系图。陶瓷圆柱不具有磁电耦合特性，与具有磁电耦合特性的结构相比偏振分离效果很弱，散射半球的平均偏振态随着入射角按余弦函数的规律进行变化。
入射线偏振光的传播方向垂直于结构的旋转轴时，随着结构尺寸和入射光频率的改变，磁电耦合结构的极化率张量均随之变化，其变化关系如图3(a)和3(b)所示，其中，是x方向和y方向的电极化率张量，是z方向的电极化率张量，是x方向和y方向的磁极化率张量，是z方向的磁极化率张量，γ表示磁电耦合极化率张量。图3(c)和3(d)是横向相反半球的平均斯托克斯偏振S3随结构尺寸和入射光频率变化的曲线，虚线表示理论计算结果，实线表示仿真结果。平均斯托克斯偏振参数S3描述散射远场的偏振态。在陶瓷圆盘的半径和高度分别为15mm和12mm，中心空气孔的半径和高度分别为4.5mm和9.4mm，入射光频率为2.55GHz时，散射远场横向相反半球的平均斯托克斯偏振参数达到最大值，获得了最大程度的偏振分离。
实例中偏振分离最大时散射远场的偏振分布如图4(a)所示，左旋和右旋圆偏振光在散射远场完美偏振分离。本实例中实现完美偏振分离的原因在于构建了横向自旋电偶极矩。与以往构建横向自旋电偶极矩的原理不同，本方案仅从结构的磁电耦合特性出发，通过简单的入射光源即可构建横向自旋电偶极矩。此时，散射远场在x-y平面和x-z平面的强度分布如图4(b)所示，完美偏振分离伴随着散射远场横向的强度分布。
完美圆偏振态分离的同时伴随着偏振奇点的移动，图5(a)和5(b)显示了本实例中磁电耦合偏振分离器散射远场x>0半球和x<0半球的偏振奇点分布图，图中的颜色表示E·E的相位，其中E表示散射远场的电场。图中的白色线段表示偏振椭球的长轴，根据它们的分布可以确定偏振奇点的位置。图中的旋转箭头是相位梯度的方向，用来描述相位拓扑指数的正负，逆时针旋转表示拓扑荷为正，顺时针旋转表示拓扑荷为负。可以看出在相同的半球中偏振奇点的相位拓扑指数的符号相同，且偏振拓扑指数相同为1/2，说明实现完美圆偏振分离时相同半球内偏振奇点的偏振性质相同。
图5(c)和5(d)显示了不具有磁电耦合特性的陶瓷圆盘散射远场x>0半球和x<0半球的偏振奇点分布图，图中的颜色表示E·E的相位，其中E表示散射远场的电场。图中的白色线段表示偏振椭球的长轴，根据它们的分布可以确定偏振奇点的位置。图中的旋转箭头是相位梯度的方向，用来描述相位拓扑指数的正负，逆时针旋转表示拓扑荷为正，顺时针旋转表示拓扑荷为负。可以看出在相同的半球中偏振奇点的相位拓扑指数的符号相反，偏振拓扑指数相同为1/2,说明实现不了完美偏振分离时相同半球内偏振奇点的偏振性质相反。
实施例二
与实施例一不同的是入射线偏振光的极化方向垂直于结构的旋转轴，这样的目的是为了激发横向自旋磁偶极矩实现完美的圆偏振态分离。通常实现完美圆偏振态分离的方法仅能从构建横向自旋电偶极矩出发。本方案中结构的磁电耦合特性使实现完美圆偏振分离的原理更具多样性。
实例中入射线偏振光的极化方向垂直于结构的旋转轴时散射远场的偏振分布图如图6(a)所示，此时激发了横向自旋磁偶极矩。散射远场在x-y平面和x-z平面的强度分布如图6(b)所示，完美偏振分离伴随着散射远场横向的强度分布。
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