CN110364823A - 一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，通过在一层金属板上铣出周期性排列的悬链线光栅而成。利用这种结构可以实现超过90％的分束效率。此外，通过向悬链线沟槽里注入液体(例如酒精)，并控制液体的高度，可以调节该器件的工作频率。
Description
技术领域
本发明涉及圆偏振分光的技术领域，具体涉及一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器。
背景技术
在许多光学***以及光子学应用中，圆偏振分束器是一种必不可少的元件。传统的分束器通过将多种各向异性的材料组合而成，具有诸多缺点，例如体积庞大、操作带宽窄、效率低等等。
近些年来，超表面的出现为电磁波调控提供了一种新的途径，通过设计单元结构的尺寸，几何形状，及空间分布，可以自由地操纵电磁波的相位。在传统的超表面中，每个结构单元是独立的，并对应于一个局域相位。通过将这些离散的单元结合起来便可以形成相位梯度超表面。但是，这种离散的相位调制会使得器件的效率降低。此外，目前超表面多由金属介质材料组合而成，难以满足实际应用中对力学、热学等性能的要求，因此，全金属的设计方案被提出来用以解决这个问题。
另一方面，随着信息处理的飞速发展，可调谐超表面的研究变的尤为迫切。然而，传统的超表面大多在加工完成后功能即固定下来，不具有可调谐性。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，通过设计悬链线结构，并引入可流动的液体来实现高效率、可调谐的电磁波调制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，包括一层周期性排列的金属悬链线光栅，能够将不同手性的圆偏振光分离到两个相反的方向上，分束效率超过90％，此外，通过向悬链线沟槽里注入液体，并控制液体的高度，可以调节该分束器的工作频率。
其中，所述金属光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/4，λ0为中心波长。
其中，所述悬链线光栅在x轴方向上的周期Λ，其取值范围为Λ>λ0，λ0为中心波长。
其中，所述的液体可以为水、酒精、甲醇等流动性较好的液体。
其中，所述的金属材料可以为铝、铜、钢等在微波段具有高反射的材料。
其中，通过在一层金属板上铣出周期性排列的悬链线光栅而成。
本发明的有益效果在于：
本发明将全金属结构与悬链线所具有的线性连续相位结合起来，在微波段实现了高效率的圆偏振光分束。相比于传统的离散结构，效率得到了明显的提升。通过向悬链线沟槽注入不同折射率的液体或者控制液体高度，可以动态调节该器件的工作频率。
附图说明
图1为本发明的悬链线单元示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为实施例1中圆偏振分束的仿真结果；
图4为实施例1中圆偏振分束的实验结果，其中，图4(a)为测试与仿真得到的镜面反射率谱，图4(b)所示为在10.5GHz处反射强度随测试角度的变化；
图5为实施例1中加入酒精后的圆偏振分束实验结果，其中，图5(a)为镜面反射率谱，图5(b)为酒精高度为1mm时，样片在10.2GHz处的反射强度随测试角度的变化，图5(c)为酒精高度为2mm时，样片在9.7GHz处的反射强度随测试角度的变化，图5(d)为酒精高度为3mm时，样片在8.5GHz处的反射强度随测试角度的变化；
图2中所标序号含义为：1为悬链线光栅，2为注入的液体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，等强度悬链线函数可以表示为：
其中，Λ表示悬链线在沿x轴方向上的长度。针对左旋圆偏折(LCP)和右旋圆偏振(RCP)光入射，均可以产生一个线性的相位延迟，用公式表示就是：
这里ξ(x)表示悬链线与x轴正半轴的夹角，σ＝±1分别表示LCP/RCP入射的情况。因此，当x从–Λ/2变化到Λ/2时，可以产生0到2π的相位延迟。利用这种相位梯度，LCP和RCP可以被偏折到两个对称的方向上，偏折角大小等于：
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
不失一般性，本实施例针对微波段进行设计，中心频率为10.5GHz。金属光栅高度h＝7mm，悬链线在y轴方向的周期为14mm。悬链线在x方向的长度Λ＝80mm，对应的偏折角等于20.9°。图3所示为线偏振光入射时的仿真结果。可以看见，线偏振光被分解成等量的LCP和RCP，其效率在10.5GHz附近均超过48％。相应的，反射零级(即镜面反射)被很好的抑制。
为了验证这种高效率的分光效果，加工了一个面积为40×40cm2的样品。加工材料选择为金属铝。实验结果如图4所示。图4(a)为测试与仿真得到的镜面反射率谱，可以看见，实验结果与仿真结果吻合的很好，10.5GHz处的镜面反射信号被抑制到-25dB以下。图4(b)所示为在10.5GHz处反射强度随测试角度的变化。可以看见，反射的左旋圆偏振和右旋圆偏振光被完美地分离到两个对称的方向上，证明了该器件的高效率分光特性。
接下来，利用注射器向悬链线沟槽内注入不同深度的液体以验证工作频率的可调谐性。这里，选择酒精为样例进行测试，结果如图5所示。首先测试了镜面反射率谱，如图5(a)所示。可以看见，随着酒精高度的增大，该器件的工作频率从10.5GHz逐渐移动至8.5GHz。图5(b)、图5(c)、图5(d)分别为酒精高度为1mm、2mm、3mm时，样片在10.2GHz、9.7GHz、8.5GHz处的反射强度随测试角度的变化。可以发现，随着液体高度的增大，分束的频率和效率均发生变化。这里，效率的降低主要是由酒精的吸收引起的，可以通过选用更低损耗的液体来替代酒精，以提高工作效率。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：包括一层周期性排列的金属悬链线光栅，能够将不同手性的圆偏振光分离到两个相反的方向上，分束效率超过90％，此外，通过向悬链线沟槽里注入液体，并控制液体的高度，可以调节该分束器的工作频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：所述金属悬链线光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/4，λ0为中心波长。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：所述悬链线光栅在x轴方向上的周期Λ，其取值范围为Λ>λ0，λ0为中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：所述的液体可以为水、酒精、甲醇流动性较好的液体。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：所述的金属材料可以为铝、铜、钢在微波段具有高反射的材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属悬链线光栅的高效率可调谐圆偏振分束器，其特征在于：通过在一层金属板上铣出周期性排列的悬链线光栅而成。
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