CN112859230B - 一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜 - Google Patents

一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，将具有偏振转换功能的硅长条按照设定的相位分布规律进行排列，构成超构透镜的超表面，只使用动力学相位转配的全硅太赫兹超构聚焦透镜，所有0‑2π的相位只通过改变基本超表面单元的结构参数来实现，规避了Pancharatnam‑Berry相位的固有缺陷，在太赫兹波段成功实现任意线偏振态到任意单向自旋圆偏振态的干净彻底地转换和聚焦，在切换不同自旋方向圆偏振态时，只需将透镜整体旋转±90°，不需额外设计，操作简单、实用。本发明彻底解决了以往在THz波段内没有实现单向自旋圆偏振波转换的超构聚焦透镜的难题，发明成果有望应用于先进THz相机。

Description

一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜。
背景技术
许多线偏振光在摄影中是有害的。他们会将反射光引入相机，以降低照片的清晰度和明暗对比度。在具有自动对焦和自动曝光功能的先进相机中，主要使用圆偏振透镜(CPL)来滤除这些有害的线偏振光。CPL可以直接将入射的线偏振光转换成圆偏振光。理论上，CPL可用于任何相机，包括先进的太赫兹(THz)相机。然而，传统CPL的制备仍然依赖于手工打磨，使得CPL成品率低、价格昂贵，且一般体积大，不易集成。
近年来，研究人员致力于研制一种成本低、体积小、集成度高、功能多的新型偏振转换器件。人工超材料/超表面为这种新设备提供了一个很好的解决方案。基于超表面的THz圆偏振转换装置已经开发出来。为了充分发挥超表面的优势，研究人员进一步希望将偏振转换功能集成到超构聚焦透镜中。如果THz超构聚焦透镜能同时实现圆偏振转换，就可能同时取代传统的CPL镜和聚焦镜，应用于先进的THz相机，进一步减小相机体积。目前，已有文献宣称实现了线偏振波到圆偏振波转换并聚焦的THz超构透镜，然而，这些圆偏振波既包含左旋成分也包含右旋成分，且存在转换不彻底、不干净的现象，在实际中并不堪用。归其原因，现有的THz超构聚焦透镜在设计时总是依赖于Pancharatnam-Berry相位，即，为了使基本超表面单元完全覆盖0-2π相位，必须旋转已有基本单元，这在物理原理上存在一些固有缺陷，例如自旋依赖性，因此，至今仍未实现能够将线偏振波转换成具有单一自旋方向圆偏振波的太赫兹超构聚焦透镜。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，通过下述技术方案实现：
一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，所述超构聚焦透镜的超表面由多个按照设定的相位分布规律排列的硅长条组成，所述多个硅长条对入射偏振太赫兹波进行共极化和交叉极化，且其透射共极化分量和交叉共极化分量相互垂直，所述每个硅长条的偏振转换功能均满足如下表达式：
Figure BDA0002907404460000011
其中，T为偏振转换功能，t为硅长条对太赫兹波的透射系数，
Figure BDA0002907404460000012
是每个硅长条所对应的相位，i是虚数单位。
所述设定的相位分布规律为：
Figure BDA0002907404460000021
其中，其中
Figure BDA0002907404460000022
是相位，λ是太赫兹波长，x、y为该所述超构聚焦透镜上以正中心为原点的任何一点的坐标，f为超构透镜的焦距。
进一步的，所述多个硅长条包括多种长宽比例不同的矩形硅长条，且在对于任意一组覆盖0-2π相位的多个硅长条里，均不存在形状尺寸相同的硅长条。
进一步的，所述多个硅长条的单元周期和刻蚀高度均相同。
上述方案的有益效果是，此超构透镜在物理原理上仅依赖于动力学相位，没有使用传统Pancharatnam-Berry相位来组建THz超构聚焦透镜，因此规避了由它带来的固有缺陷，实现任意线偏振态到某个单向自旋圆偏振态的干净彻底地转换和聚焦，根据此设计，超构透镜只需要整体被旋转±90°便可以实现圆偏振态自旋方向的调换。
进一步的，所述多个硅长条与以所述超构聚焦透镜正中心为原点的直角坐标系的坐标轴呈45°夹角。
上述进一步方案的有益效果是，使得每一硅长条均可实现对入射线偏振THz波的共极化和交叉极化，透射共极化分量与交叉极化分量互相垂直，幅度相等，有π/2的固定相位差。
进一步的，所述多个硅长条均为高阻硅。
进一步的，所述多个硅长条的透射共极化分量与交叉极化分量相互垂直且具有π/2的固定相位差。
进一步的，所述多个硅长条的透射共极化分量与交叉极化分量的幅度均相同。
上述进一步方案的有益效果是，使得多个硅长条基本结构的透射共极化分量和交叉计划分量其中之一能够实现0-2π的相位覆盖。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜示意图。
图2a为本发明实施例五个基本硅长条结构示意图，图2b为五个基本结构对应的X共极化分量的相位，图2c为X共极化分量与Y交叉极化分量透射幅度，图2d为X共极化分量与Y交叉极化分量的相位差。
图3为实施例中X线偏振THz波入射时的聚焦特性，其中，a原始透镜的聚焦特性，b为当透镜旋转±90°时的聚焦特性。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，如图1所示，所述超构聚焦透镜的超表面由多个按照设定相位分布规律排列的硅长条组成，所述多个硅长条对入射偏振太赫兹波进行共极化和交叉极化，且其透射共极化分量和交叉共极化分量相互垂直，所述每个硅长条的偏振转换功能均满足如下表达式：
Figure BDA0002907404460000031
其中，T为偏振转换功能，t为硅长条对太赫兹波的透射系数，
Figure BDA0002907404460000032
是每个硅长条所对应的相位，i是虚数单位。
在本方案里，每一个硅长条都能实现对入射线偏振THz波的共极化和交叉极化，透射共极化分量与交叉极化分量互相垂直，幅度相等，且有π/2的固定相位差。每个硅长条的透射共极化分量和交叉极化分量的其中之一能够实现0-2π的相位覆盖。
在本实施例里，以5种基本硅长条结构为例说明本方案的内容，五个硅长条的参数分别为：L1＝77μm，W1＝59μm；L2＝67μm，W2＝53μm；L3＝70μm，W3＝36μm；L4＝148μm，W4＝32μm；L5＝90μm，W5＝60μm，如图2所示，设计五个基本硅长条结构，如图2(a)，硅长条与x或y轴呈现45°夹角，每一个结构都能使得入射的X线偏振THz波产生透射的X方向共极化和Y方向交叉极化。如图2(b)，每一个结构产生一个相位，其X共极化分量能够实现0-2π的相位覆盖。如图2(c)，所有结构的X共极化分量与Y交叉极化分量幅度基本相等，此处约为0.5。如图2(d)，所有结构的X共极化分量与Y交叉极化分量都有π/2的固定相位差。本方案里，在一组覆盖0-2π相位的长条里，不存在任何两个硅长条长宽相同的情况。
将上述基本硅长条按照设定的相位分布规律排列，构成本实施例的超构聚焦透镜，其需要遵循的相位分布规律为：
Figure BDA0002907404460000041
在本实施例里，λ是0.96THz对应的波长，(x,y)为该超构透镜上任何一点的坐标，这里设置超构透镜的正中心为坐标原点，f＝8mm为超构透镜的焦距，透镜直径8mm。得到的透镜可以将入射的X线偏振THz波转换成透射的左旋圆偏振态并在焦平面上聚焦，如图3(a)。若将该透镜整体旋转±90°，则可以得到一个右旋圆偏振态转换并聚焦，如图3(b)。
综上，本发明提出的超构透镜在物理原理上仅依赖于动力学相位，规避了Pancharatnam-Berry相位的固有缺陷，在太赫兹波段成功实现任意线偏振态到任意单向自旋圆偏振态的干净彻底地转换和聚焦。本发明在切换不同自旋方向圆偏振态时，只需将透镜整体旋转±90°，不需额外设计，操作简单、实用。本发明彻底解决了以往在THz波段内没有实现单向自旋圆偏振波转换的超构聚焦透镜的难题，发明成果有望应用于先进THz相机。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述超构聚焦透镜的超表面由多个按照设定的相位分布规律排列的硅长条组成，所述多个硅长条实现对入射偏振太赫兹波进行共极化和交叉极化，满足其透射共极化分量和交叉共极化分量相互垂直且相位差固定，所述每个硅长条的偏振转换功能均描述为：
Figure FDA0002907404450000011
其中，T为偏振转换功能，t为硅长条对太赫兹波的透射系数，
Figure FDA0002907404450000012
是每个硅长条所对应的相位，i是虚数单位；
所述设定的相位分布规律为：
Figure FDA0002907404450000013
其中，其中
Figure FDA0002907404450000014
是相位，λ是太赫兹波长，x、y为该所述超构聚焦透镜上以正中心为原点直角坐标系上的任何一点的坐标，f为超构透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条包括多种长宽比例不同的矩形硅长条，且在对于任意一组覆盖0-2π相位的多个硅长条里，均不存在形状尺寸相同的硅长条。
3.根据权利要求2所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条的单元周期和刻蚀高度均相同。
4.根据权利要求3所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条与以所述超构聚焦透镜正中心为原点的直角坐标系的坐标轴呈45°夹角。
5.根据权利要求4所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条均为高阻硅。
6.根据权利要求5所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条的透射共极化分量与交叉极化分量相互垂直且具有π/2的固定相位差。
7.根据权利要求6所述的一种实现单向自旋圆偏振态转换的太赫兹超构聚焦透镜，其特征在于，所述多个硅长条的透射共极化分量与交叉极化分量的幅度均相同。
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