基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器
阅读说明：本技术 基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器 (Full stokes polarization detector based on full-medium super-surface structure ) 是由 徐挺 郭仕豪 任永泽 霍鹏程 于 2021-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于全介质超表面的全斯托克斯偏振检测器,包括：基底以及基底上全介质超表面纳米结构单元形成的纳米单元阵列；所述基底采用介质材料,所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构,当光波入射到超表面上时,经过纳米单元阵列的偏振-相位调制,透射光波分别聚焦到三组正交偏振基矢上,即0°/90°线偏振、45°/135°线偏振、左旋/右旋圆偏振,通过测量六个偏振态的聚焦强度,可以获得入射光的偏振态分布。本发明设计的全斯托克斯偏振检测器具有超薄的厚度(纳米量级),有利于器件与纳米光子学系统相结合,可以实现小体积、对入射角度不敏感的入射光全斯托克斯偏振检测。(The invention discloses a full Stokes polarization detector based on a full-medium super surface, which comprises: the nano-cell array is formed by a substrate and all-dielectric super-surface nano-structure units on the substrate; the substrate is made of a dielectric material, the all-dielectric super-surface nano structure unit is of an anisotropic structure, when light waves are incident on the super surface, through polarization-phase modulation of the nano unit array, transmitted light waves are respectively focused on three groups of orthogonal polarization basis vectors, namely 0-degree/90-degree linear polarization, 45-degree/135-degree linear polarization and left-hand/right-hand circular polarization, and the polarization state distribution of the incident light can be obtained by measuring the focusing intensity of six polarization states. The full Stokes polarization detector designed by the invention has ultrathin thickness (nanometer magnitude), is beneficial to the combination of a device and a nanometer photonic system, and can realize the incident light full Stokes polarization detection with small volume and insensitivity to the incident angle.)
技术领域
本发明属于纳米光子学领域，特别涉及一种基于全介质超表面结构的光学全斯托克斯偏振检测器。
背景技术
偏振是光的固有属性之一，通过对光偏振态的测量可以获得光源的信息、物体表面的受力变化等形貌信息，因此对于光的偏振信息检测可以用于卫星遥感、生物医疗成像等等。对于光场的偏振信息测量一直是纳米光子学领域的研究热点之一。对于传统的偏振测量方法，可以大致分为三类：(1)分时测量法，通过旋转相机转轮，采用牺牲时间分辨率的方式获得不同的偏振分量结果；(2)分振幅成像法，采用棱镜分光的方式将不同的偏振光分量进行分离，从而获得不同的偏振分量；(3)分焦平面法，在成像焦平面的不同位置处排列不同的偏振探测阵列，从而获得不同的偏振分量。21世纪以来，光学偏振检测仪不断被提出，并称为研究的热点之一。
目前，偏振测量方法或是涉及不同的光路或光学原件，体积庞大，结构复杂，或是只能测量部分的斯托克斯信息，这些显然对于现在的集成化小型化光学系统的要求是矛盾的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于全介质超表面结构的全斯托克斯偏振检测器，包括：基底以及基底上全介质超表面纳米结构单元形成的纳米单元阵列；所述基底采用介质材料，所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构，当光波入射到超表面上时，经过纳米单元阵列的偏振-相位调制，透射光波分别聚焦到三组正交偏振基矢上，即0°/90°线偏振、45°/135°线偏振、左旋/右旋圆偏振，通过测量六个偏振态的聚焦强度，可以获得入射光的偏振态分布。
进一步的，纳米单元阵列的相位分布(x，y)符合式1：
其中：下标n＝1,2，…,6分别表示0°、45°、90°、135°的线偏振光、以及左旋圆偏振和右旋圆偏振，f表示超表面的聚焦焦距，聚焦焦点的位置坐标为(xn,yn)。
进一步的，基底和全介质超表面纳米结构单元的介电常数比值在1:1～1:5。
进一步的，基底采用低介电常数的低损耗材料制成，材料为透明玻璃、氟化钙、氟化钡、红外硫系玻璃或硅。
进一步的，全介质超表面纳米结构单元采用高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料制成，材料为氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、硅、氮化硅或锗。
进一步的，全介质超表面纳米结构单元在基底上采用准周期或者周期性排布，每个周期单元的基底的边长为P，P为0.5λ～λ，λ为入射光波波长。
进一步的，全介质超表面纳米结构单元的高度为H，其横截面的形状尺寸为特征尺寸，H为0.4λ～1.2λ，特征尺寸为0.2P～0.8P，P为0.5λ～λ，λ为入射光波波长。
进一步的，全介质超表面纳米结构单元横截面的形状为中心对称的几何图形，为长方形或椭圆形。
进一步的，纳米单元阵列的排布为六边形密堆积分布、正方向阵列分布或圆形阵列分布。
进一步的，入射光波波长为250nm～20μm。
本发明提供的一种超表面全斯托克斯偏振检测选择高折射率低损耗材料作为纳米结构单元，通过调节纳米单元结构的尺寸和转角可以实现较高的偏振转化效率；选用特定参数的纳米单元结构，构成整个超表面阵列，可以实现宽波段的全斯托克斯偏振检测。纳米结构单元的横截面为椭圆形或长方形，同一超表面阵列的单元结构形状相同。
因此，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明设计的光学全斯托克斯偏振检测具有超薄的厚度(亚波长纳米量级)，有利于器件与纳米光子学系统相结合。
2、由于基底为低介电常数的低损耗材料，超表面结构的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，因此本发明设计的超表面全斯托克斯偏振检测技术具有优秀的偏振检测和偏振成像效果。
3、基于超表面结构的偏振检测和偏振成像可以实现全斯托克斯参数测量、小体积、对入射角度不敏感、以及宽带全斯托克斯偏振检测等，这些特点在传统的偏振检测中是很难实现的。本发明在对微米量级具有空间分布矢量光束的偏振检测方面有重要应用。
附图说明
图1是本发明实施例纳米单元结构的示意图，其中，1-二氧化钛，2-石英玻璃，H-600nm，P＝450nm，θ是结构的转角。Dx和Dy分别是椭圆形结构的长轴和短轴，具体参数见表1。
图2是本发明实施例纳米单元结构在线偏振光入射下的相位和透射系数图。
图3是本发明实施例纳米单元结构在线偏振光入射下的偏振转换率和相位延迟图。
图4是本发明实施例中设计的超表面结构示意图。
图5是本发明实施例中仿真的对于具有不同的偏振态的单波长(530nm)入射光(罗马数字Ⅰ-Ⅵ分别代表0°、90°、45°、135°的线偏振光和右旋圆偏振光，以及左旋圆偏振光)照射在超表面上时，透射光的光强分布图以及根据光强分布图繁衍获得的斯托克斯参数。
图6是本发明实施例中根据光强分布获得的斯托克斯参数在庞加莱球上的结果。
图7是本发明实施例中在不同的偏振态以及不同的波长照射下获得的光强分布结果图。
图8是本发明实施例中设计的超表面阵列示意图，圆框中为局部放大图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例
以石英玻璃为基底、二氧化钛为纳米结构单元材料。
一种基于全介质超表面结构的光学全斯托克斯偏振检测和偏振成像，设计具有不同结构尺寸和转角的全介质超表面纳米结构单元，纳米结构单元的横截面可以是任意几何图形，例如长方形或椭圆形。基底为低介电常数的低损耗材料，如透明玻璃，氟化钙，氟化钡，以及红外硫系玻璃等。全介质超表面纳米结构单元的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，例如氮化镓，二氧化铪，二氧化钛，硅，氮化硅，锗等。本实施例以横截面为椭圆形的二氧化钛柱为例，光学全斯托克斯偏振检测和偏振成像的全介质超表面纳米结构单元在基底上采用准周期或者周期性排布，每个周期单元为一个微结构超表面单元，如图1所示，微结构超表面单元包括两个部分，1为二氧化钛介质柱，2为石英玻璃基底，周期P＝450nm，P是每个周期单元基底的边长，全介质超表面纳米结构单元的高度为H＝600nm，特征尺寸为Dx和Dy。
表1
当0°线偏振入射光照射在超表面纳米单元结构上时，根据有限元算法可以获得结构的相位分布和透射系数图，通过将2π相位离散成八阶相位，同时保证单元结构较高的透射系数，可以找到8*8个单元结构(结构参数Dx和Dy详见表格1)，如图2所示。同时，经过模拟计算，获得的纳米结构单元的偏振转换率和相位变化图如图3所示，其中，#1-#8分别代表设计超表面时所选择的8个半波片结构示意图。
假设超表面的聚焦焦距为f，聚焦焦点的位置坐标为(xn,yn)，则设计的超表面在任意位置(x，y)处相位分布为：
其中，下标n＝1,2，…,6分别表示0°、45°、90°、135°、左旋圆偏振和右旋圆偏振。
其中，对于45°和135°正交偏振光入射，其生成的超表面结构相当于将0°和90°入射光生成的超表面整体相对x轴旋转45°。
其中，对于左旋、右旋圆偏振光入射，其生成的超表面结构在空间中(x,y)处满足的相位分布为：
其中，θ(x,y)为生成的结构在(x,y)处结构的转角。
根据上述设计，设计的超表面单元结构分布如图4所示。其中包含3部分的超表面空间复用，1-针对0°、90°偏振光，2-针对45°、135°偏振光，3-针对左旋、右旋圆偏振光。
对于任意的偏振光入射在超表面上，其透射光总可以分别聚焦在上述6个偏振态的焦点处，通过求得每个焦点的光强分布，利用下式，
S0＝I；S1＝l0-I90；S2＝I45-I135；S3＝IRCP-ILCP
其中，I代表入射光的总光强，I0、I45、I90、I135、IRCP、ILCP分别代表0°、45°、90°、135°的线偏振光、以及右旋(RCP)、左旋(LCP)圆偏振光的光强。
可以获得出射光的斯托克斯参数S＝[S0,S1,S2,S3]，进而可以获得出射光的偏振信息。例如通过分别入射I-Ⅵ偏振光(分别代表0°、90°、45°、135°、RCP、LCP)，其出射的光强分布分别如图5第一行所示，根据6个焦点的光强分布获得S参数如图5第二行所示。
将获得的S参数可以标在庞加莱球上，结果如图6所示。可以看到仿真结果和理论计算结果很接近，证明该超表面具有很好的偏振检测效果。
其次，将上述结果可以推广到可见光波段的其他波长：480nm、580nm、630nm，利用FDTD进行仿真，如图7。
可以看到本发明针对入射光的全斯托克斯偏振检测具有宽带响应，在可见光波段的其他波长处具有相同的偏折聚焦效果，利用单个超表面可以检测可见光波段多个波长的全斯托克斯信息。
由单一超表面结构拓展到正六边形六方密堆积方式排布的阵列结构，如图8，相比传统的圆形、方形排列，该结构具有较高的功能单元密度和较高的空间分辨率，利用算法即可实现具有空间分布的光场检测以及光场成像。
上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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