CN110274693A - 一种偏振检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种偏振检测装置。该偏振检测装置包括棱镜、超构表面器件和成像器件，所述超构表面器件用于根据待检测光的偏振状态产生偏振分束光，所述棱镜将所述偏振分束光反射至所述成像器件，以分析所述待检测光的偏振状态。本发明实施例实现了偏振检测装置的小型化集成。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种偏振检测装置。
背景技术
偏振作为光的一个自由度，是重要的信息载体，但通常获得的光强和光谱信息中不包含光场的偏振信息。光学偏振测量器件能够测量光场的偏振状态，在天文、遥感、通讯、医疗等诸多领域中起着重要作用。
现有技术通常利用斯托克斯参量来表征光的各种偏振状态，实验上斯托克斯参量可通过测量光的强度来确定，因此大多数偏振测量器件是基于斯托克斯参量的测量来实现的。
但是，传统的偏振检测器件由一系列的偏振元件组成，存在体积大、制作流程复杂、不利于小型化集成的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种偏振检测装置，以实现偏振检测装置的小型化集成。
为达此目的，本发明实施例提供了一种偏振检测装置，包括棱镜、超构表面器件和成像器件，超构表面器件用于根据待检测光的偏振状态产生偏振分束光，棱镜将偏振分束光反射至成像器件，以分析待检测光的偏振状态。
进一步的，棱镜包括平行间隔设置的光入射面和分束面，以及和光入射面成预设角度的光反射面，超构表面器件设置在分束面，用于接收光入射面导入的待检测光，光反射面用于将偏振分束光反射至成像器件。
优选的，成像器件包括至少两个，光反射面包括至少两个，超构表面器件根据待检测光的偏振状态产生不同方向的至少两个偏振分束光，两个光反射面用于将至少两个偏振分束光反射至至少两个成像器件。
进一步的，超构表面器件包括衬底和位于衬底上的超构功能区域，超构功能区域包括金属反射层和各向异性亚波长结构层，衬底、金属反射层和各向异性亚波长结构层依次堆叠。
进一步的，超构表面器件包括至少六个超构功能区域，各向异性亚波长结构层包括多个各向异性亚波长结构，每个超构功能区域内的各向异性亚波长结构具有预设的排布图案，每个超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案不同于其他超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案，每个超构功能区域单独响应待检测光中特定的偏振光并生成不同方向的偏振分束光。
优选的，各向异性亚波长结构为亚波长金属棒，亚波长金属棒下方设置有提高超构表面器件光学效率的介质层。
进一步的，不同方向的偏振分束光包括基于x轴、y轴、x轴45度和x轴-45度方向上的线偏振分量以及右旋和左旋的圆偏振分量。
优选的，超构表面器件通过粘合的方式固定在棱镜的分束面。
优选的，成像器件设置在棱镜的分束面的一侧，与超构表面器件相向贴近放置。
本发明实施例通过棱镜、超构表面器件和成像器件组成的一种偏振检测装置，其中，超构表面器件根据待检测光的偏振状态产生偏振分束光，棱镜将偏振分束光反射至成像器件以分析待检测光的偏振状态，解决了传统的偏振检测器件由一系列的偏振元件组成，存在体积大、制作流程复杂、不利于小型化集成化的问题，实现了偏振检测装置的小型化集成的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的偏振检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例二中的超构表面器件的俯视图；
图3是本发明实施例二中的超构表面器件的正视图；
图4是本发明实施例二中的超构表面器件的六种超构功能区域的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供的偏振检测装置包括棱镜300、超构表面器件100和成像器件200。超构表面器件100用于根据待检测光400的偏振状态产生偏振分束光430，棱镜300将偏振分束光430反射至成像器件200，以分析待检测光400的偏振状态。
一实施例中，棱镜300包括平行间隔设置的光入射面500和分束面700，以及和光入射面500成预设角度的光反射面600，超构表面器件100设置在分束面700，用于接收光入射面500导入的待检测光400，光反射面600用于将偏振分束光430反射至成像器件200。
一实施例中，成像器件200包括至少两个，光反射面600包括至少两个，超构表面器件100根据待检测光400的偏振状态产生不同方向的至少两个偏振分束光430，两个光反射面600用于将至少两个偏振分束光430反射至至少两个成像器件200。
优选的，超构表面器件100通过粘合的方式固定在棱镜300的分束面700。
优选的，成像器件200设置在棱镜300的分束面700的一侧，与超构表面器件100相向贴近放置。
进一步的，偏振检测装置还包括微处理器800，微处理器800用于记录偏振分束光430的光强并计算斯托克斯矢量，以确定待检测光400的偏振状态。
本实施例中，偏振检测装置包括棱镜300、超构表面器件100和两个成像器件200，棱镜300包括平行间隔设置的一个光入射面500和一个分束面700，还包括与光入射面500形成水平方向成45度夹角的两个对称的光反射面600，超构表面器件100通过粘合的方式固定在分束面700上，两个成像器件200设置在棱镜300的分束面700的一侧，与超构表面器件100相向贴近放置，两个成像器件200还连接有微处理器800，微处理器800连接有上位机900。
当需要检测某光场的偏振信息时，将待检测光400垂直射入棱镜300的光入射面500，待检测光400通过光入射面500后继续射向棱镜300的分束面700上的超构表面器件100，超构表面器件100根据待检测光400的偏振状态产生不同方向的6个偏振分束光430，其中，6个偏振分束光430分成两组反射分束光，每组反射分束光包括3种不同方向的偏振分束光430，一组反射分束光410反射聚焦到光反射面610上，另一组反射分束光420反射聚焦到与光反射面610对称的光反射面620上，棱镜300的光反射面600上接收偏振分束光430的部分根据全反射原理并配合超构表面器件100反射的偏振分束光430的反射角度，将该部分的棱镜300切割至所需角度以将反射后的偏振分束光430朝向棱镜300的分束面700垂直的射出，并聚焦在成像器件200上，成像器件200为电荷耦合器件，用于记录偏振分束光430的光强，两个成像器件200连接的微处理器800可以根据电荷耦合器件记录的光强计算待检测光400的斯托克斯矢量，并将结果反馈至上位机900。本实施例的成像器件可以为CCD感光器件或CMOS感光器件。
可选的，棱镜300的光反射面600上对应反射偏振分束光430的部分还可以镀有反射层，以将反射后的偏振分束光430朝向棱镜300的分束面700垂直的射出，并聚焦在成像器件200上。本发明实施例通过棱镜300、超构表面器件100和成像器件200组成的偏振检测装置，其中，超构表面器件100根据待检测光400的偏振状态产生偏振分束光430，棱镜300将偏振分束光430反射至成像器件200以分析待检测光400的偏振状态，解决了传统的偏振检测器件由一系列的偏振元件组成，体积大、制作流程复杂、不利于小型化集成化的问题，实现了偏振检测装置的小型化集成的效果。
实施例二
如图2-图4所示，本发明实施例二是在本发明实施例一中偏振检测装置的基础上，对超构表面器件100进一步的描述。
进一步的，超构表面器件包括衬底140和位于衬底140上的超构功能区域，超构功能区域包括金属反射层130和各向异性亚波长结构层，衬底、金属反射层和各向异性亚波长结构层依次堆叠。超构表面器件包括至少六个超构功能区域，各向异性亚波长结构层包括多个各向异性亚波长结构，每个超构功能区域内的各向异性亚波长结构具有预设的排布图案，每个超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案不同于其他超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案，每个超构功能区域单独响应待检测光中特定的偏振光并生成不同方向的偏振分束光。
优选的，各向异性亚波长结构为亚波长金属棒110，亚波长金属棒110下方设置有用于提高超构表面器件光学效率的介质层120。
本实施例中，各向异性亚波长结构层包括介质层120和亚波长金属棒110，超构表面器件100包括衬底140、金属反射层130、介质层120和亚波长金属棒110，衬底140、金属反射层130、介质层120和亚波长金属棒110依次堆叠。
介质层120具有折射功能，通过调整介质层120的厚度可以增强共振以及光与亚波长金属棒110的耦合效率。
一实施例中超构表面器件100的制作方法为：首先在透明的衬底140上依次蒸镀金属反射层130和介质层120，然后旋涂电子胶或光刻胶，刻写所需亚波长金属棒110的排布图案后显影，采用电子束蒸镀或者热蒸镀工艺在电子胶或光刻胶上继续蒸镀金属反射层130，最后用相应的去胶溶液去除电子胶或光刻胶，获得所需的亚波长金属棒110，完成超构表面器件100的制备。
优选的，介质层120采用具有一定折射率的材料，通过调整介质层120的厚度可以增强共振以及偏振光与亚波长金属棒110的耦合效率，待检测光400处于可见近红外波段时，介质层120的材料可以采用二氧化硅，金属反射层130的材料可以采用金、银或铝；待检测光400处于红外波段时，介质层120的材料可以采用氟化钙、氟化镁、锗或聚四氟乙烯，金属反射层130的材料可以采用金、银或铝；待检测光400处于微波波段时，采用介质层120的材料可以采用透明陶瓷，金属反射层130的材料可以采用金或银。
优选的，待检测光400处于可见近红外波段时，亚波长金属棒110采用电子束光刻工艺形成亚波长金属棒110的排布图案，待检测光400处于红外波段时亚波长金属棒110采用紫外光刻工艺形成亚波长金属棒110的排布图案，待检测光400处于微波波段时，亚波长金属棒110采用印刷电路板技术形成亚波长金属棒110的排布图案。
本实施例中，超构表面器件100包括六个超构功能区域，每个功能区内的亚波长金属棒110具有预设的排布图案，因任意偏振光都可以分解为两个正交偏振分量的叠加，超构功能区域分别是用于响应基于x轴45度的线偏振分量、基于x轴-45度的线偏振分量、基于y轴45度的线偏振分量和基于y轴-45度方向上的线偏振分量以及右旋的圆偏振分量和左旋的圆偏振分量。
优选的，基于共振相位原理设计针对线偏振的四个超构功能区域中各向异性亚波长结构的排布图案。线偏振光与各向异性亚波长结构相互作用，使线偏振方向沿着其对称轴的方向，在不改变各向异性结构方位角的情况下，调整亚波长金属棒110的长度和宽度，可实现不同的相位偏移，即改变亚波长金属棒110沿某一方向的长宽比，就可以控制同一方向偏振分束光430的反射相位。具体的，在超构功能区域111、超构功能区域112、超构功能区域113和超构功能区域114中，设计每个超构功能区域的每个亚波长金属棒110的长度和宽度都互不相同，根据需求进行上述的结构设计，使经过相邻的亚波长金属棒110反射的光具有一定的相位梯度后，就可以控制光的波前，因此每个超构功能区域单独对应一种偏振分量的光的同时控制其波前，可以使其聚焦反射到特定的点。
优选的，基于贝里几何相位原理设计针对圆偏振的两个超构功能区域中各向异性亚波长结构的排布图案。亚波长金属棒110的作用类似于半波片，可以使圆偏振光的手性发生反转，圆偏振光与亚波长金属棒110相互作用，可以使入射圆偏振光的偏振态发生反转同时引入几何相位因子其中σ＝±1代表入射光的圆偏振态；是亚波长金属棒110在平面上的方位角。因此，通过简单改变亚波长金属棒110的方位角可实现对入射光相位从0-2π的连续调控，具体的，在超构功能区域115、116中，设计每个超构功能区域的每个亚波长金属棒110的长度和宽度都相同，亚波长金属棒110根据所需的相位延迟旋转相应的角度来排列，通过上述一系列的结构设计，使经过相邻的亚波长金属棒110反射的光具有一定的相位梯度后，就可以控制光的波前，因此每个超构功能区域单独响应一种偏振分量的光的同时控制其波前，可以使其反射聚焦到特定的位置。
优选的，如图4所示，亚波长金属棒110的具体排布图案为：如超构功能区域111所示，基于y轴方向上的线偏振分量的亚波长金属棒110的对称轴沿y轴方向排列，其中每个亚波长金属棒110的长度和宽度都互不相同。如超构功能区域112所示，基于x轴方向上的线偏振分量的亚波长金属棒110的对称轴沿x轴方向排列，其中每个亚波长金属棒110的长度和宽度都互不相同。如超构功能区域113所示，基于x轴45度方向上的线偏振分量的亚波长金属棒110的对称轴沿x轴45度方向排列，其中每个亚波长金属棒110的长度和宽度都互不相同。如超构功能区域114所示，基于x轴-45度方向上的线偏振分量的亚波长金属棒110的对称轴沿x轴-45度方向排列，其中每个亚波长金属棒110的长度和宽度都互不相同。如超构功能区域115所示，右旋的圆偏振分量的亚波长金属棒110沿顺时针方向根据所需的相位延迟旋转相应的角度来排列，如超构功能区域116所示，左旋的圆偏振分量的亚波长金属棒110沿逆时针方向根据所需的相位延迟旋转相应的角度来排列。
一实施例中，当需要检测某光场的偏振信息时，根据每个超构功能区域需要将其相应的偏振分量的光聚焦反射的具体点位，超构表面器件100聚焦功能类似于透镜，具有聚焦功能的透镜的相位延迟典型分布公式为： 其中，为透镜上任意位置(x，y)处与焦点(x0，y0)间距离，f为透镜的焦距，λ为工作波长，一实施例中设计焦距f＝10μm、焦点分别在超构表面器件100(-5μm，0)和(5μm，0)处以及工作波长λ＝800nm的超构表面器件100。
对超构表面器件100中的亚波长金属棒110进行上述一系列的结构设计，待检测光400与超构表面器件100作用后，经过相邻的亚波长金属棒110反射的光具有一定的相位梯度，反射光的波前也由此根据亚波长金属棒110的结构设计被控制，六个超构功能区域就可以将六种偏振分量的光反射聚焦到不同特定的位置，实现了不同偏振分量的分离。
一实施例中，基于共振相位原理设计针对线偏振的超构功能区域中各向异性亚波长结构的排布图案。线偏振光与亚波长金属棒110互相作用，使沿x方向和y方向振动的线偏振光具有不同的共振相位延迟，在不改变亚波长金属棒110的方位角情况下，在60nm-200nm的长度范围内分别改变亚波长金属棒110的长度L和宽度W，以得到一系列的共振相位延迟，通过选用表1的八种结构参数制备超构功能区域，每个超构功能区域之间具有π/4的相位梯度，如此制备得到的超构表面器件100可以实现对沿x方向的偏振光2π范围内的相位延迟调控，即对基于x方向线偏振光出射方向的完全控制，同理，对基于y方向、基于x轴45度方向和基于x轴-45度方向也可以实现调控聚焦功能，可以实现图4中的超构功能区域111、超构功能区域112、超构功能区域113和超构功能区域114。
表1
| L(纳米) | W(纳米) |
| 60 | 100 |
| 80 | 140 |
| 100 | 160 |
| 120 | 180 |
| 140 | 160 |
| 160 | 140 |
| 180 | 60 |
| 200 | 200 |
一实施例中，基于贝里几何相位原理设计针对圆偏振的超构功能区域中各向异性亚波长结构的排布图案。圆偏振光入射后，在不改变亚波长金属棒110形状大小的情况下，通过在0-π区间内改变亚波长金属棒110的方位角实现对圆偏振光的相位从0-2π的连续调控，即可实现对圆偏振光的波前调控，使其聚焦到反射镜特定位置。优选的，通过理论计算圆偏振光的手型转换效率，得到亚波长金属棒110的最佳结构参数为长度L＝200nm，宽度W＝100nm，工作波长λ＝800nm。如此制备得到的超构表面器件100可以实现对沿圆偏振光2π范围内的相位延迟调控，可以实现图4中的超构功能区域115和超构功能区域116。
经过反射后由两个成像器件200检测记录不同偏振分量的光强，微处理器800可以根据两个成像器件200记录的光强计算待检测光400的斯托克斯矢量，根据计算公式其中I为总的光强，Ix、Iy、I45和I-45为通过四种线偏振的超构功能区域反射得到的光强，ILCP和IRCP为通过两种圆偏振反射得到的光强，每一种完全偏振光有与之对应的斯托克斯矢量，并且满足
可选的，当待检测光400为部分偏振态或完全非偏振态时，仍可采用本实施例提供的偏振检测装置，完全非偏振光可以分解成光强相等的两种正交分量，其斯托克斯矢量为[1，0，0，0]，相应的，每一种部分偏振光也有与之对应的特定的斯托克斯矢量满足根据上述斯托克斯矢量就可以通过计算公式得到该光场的偏振信息。
在一替代实施例中，各向异性亚波长结构层还可以采用各向异性亚波长介质层来替代介质层和各向异性亚波长金属层。
在一替代实施例中，各向异性亚波长结构还可以采用其他形状的金属或介质结构而非棒状，例如各向异性亚波长的椭圆结构。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种偏振检测装置，其特征在于，包括棱镜、超构表面器件和成像器件，所述超构表面器件用于根据待检测光的偏振状态产生偏振分束光，所述棱镜将所述偏振分束光反射至所述成像器件，以分析所述待检测光的偏振状态。
2.根据权利要求1所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述棱镜包括平行间隔设置的光入射面和分束面，以及和所述光入射面成预设角度的光反射面，所述超构表面器件设置在所述分束面，用于接收所述光入射面导入的待检测光，所述光反射面用于将所述偏振分束光反射至所述成像器件。
3.根据权利要求2所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述成像器件包括至少两个，所述光反射面包括至少两个，所述超构表面器件根据所述待检测光的偏振状态产生不同方向的至少两个偏振分束光，至少两个所述光反射面用于将所述至少两个偏振分束光反射至至少两个所述成像器件。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述超构表面器件包括衬底和位于所述衬底上的超构功能区域，所述超构功能区域包括金属反射层和各向异性亚波长结构层，所述衬底、金属反射层和各向异性亚波长结构层依次堆叠。
5.根据权利要求4所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述超构表面器件包括至少六个超构功能区域，所述各向异性亚波长结构层包括多个各向异性亚波长结构，每个所述超构功能区域内的各向异性亚波长结构具有预设的排布图案，每个所述超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案不同于其他超构功能区域的各向异性亚波长结构的排布图案，每个所述超构功能区域单独响应所述待检测光中特定的偏振光并生成不同方向的偏振分束光。
6.根据权利要求5所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述各向异性亚波长结构为亚波长金属棒，所述亚波长金属棒下方设置有用于提高所述超构表面器件光学效率的介质层。
7.根据权利要求5所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述不同方向的偏振分束光包括基于x轴、y轴、x轴45度和x轴-45度方向上的线偏振分量以及右旋和左旋的圆偏振分量。
8.根据权利要求1所述的一种偏振检测装置，其特征在于，进一步包括微处理器，所述微处理器用于记录偏振分束光的光强并计算斯托克斯矢量，以确定待检测光的偏振状态。
9.根据权利要求1所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述超构表面器件通过粘合的方式固定在所述棱镜的分束面。
10.根据权利要求2所述的一种偏振检测装置，其特征在于，所述成像器件设置在所述棱镜的分束面的一侧，与所述超构表面器件相向贴近放置。
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