CN113885115B - 基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法，采用二氧化硅作为光束偏折器的基底材料和光栅单元材料；利用两个一维光栅周期性排列构建光束偏折器的单元结构；设置入射光偏振态、工作频率、入射角；通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量来调制入射光的相位，并且有选择地将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度；加入厚度优化变量，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，最终得到能够将入射光引导到非常大的偏转角，并在广泛的偏转角范围内具有高的偏转效率的太赫兹光束偏折器。本发明中的偏折器能够实现大角度偏转、损耗小且易于加工、偏转效率高。

Description

基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法
技术领域
本发明属于太赫兹和光场调控等技术领域，尤其涉及一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法。
背景技术
太赫兹波一般指波段位于0.1THz的毫米波和10THz的远红外线之间的电磁波。太赫兹波具有不同于微波、红外和X射线等电磁波的特点，太赫兹波在宽带移动通信、卫星通信、军用雷达、物体成像、环境监测、医疗诊断等方面具有显著的研究价值。
光场调控技术近年来吸引了广大科研工作者的强烈兴趣。事实上，任何光子技术本质上都是对光场的各个物理参量进行多种多样的调控，包括频率、波长、时间、振幅、相位、偏振等，从而实现光信息的加载、处理和提取。其中，光束的偏折控制处于至关重要的地位，一直以来都是光学领域的研究重点，在工业、通讯、生物医疗、天文观测和国防军事等众多领域有着广泛的应用。
目前应用于太赫兹波段传统的超表面光束偏折器，大都采用一系列尺寸或者方向不同的亚波长单元组成超表面结构,每个单元形成特定的相位突变，整体结构形成0-2π的相位梯度。当光垂直入射时，单元阵列引入相位梯度,就可以实现出射光角度的偏转。传统光束偏折器大多只能实现相对较小的偏折，在大的偏转角下器件效率会显著降低，并且传统的超表面器件以金属作为单元材料,这样会因为金属损耗而导致器件效率低下。因此设计一种大偏转角、高效率的太赫兹光束偏折器具有非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法，采用二氧化硅作为光束偏折器的基底材料和光栅单元材料；利用两个一维光栅周期性排列构建光束偏折器的单元结构；设置入射光偏振态、工作频率、入射角；通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量来调制入射光的相位，并且有选择地将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度；加入厚度优化变量，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，最终得到能够将入射光引导到非常大的偏转角，并在广泛的偏转角范围内具有高的偏转效率的太赫兹光束偏折器。本发明中的偏折器能够实现大角度偏转、损耗小且易于加工、偏转效率高。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器，其特征在于：首先利用两个一维光栅的周期性排列构建光束偏折器的单元结构；基于入射光偏振态、工作频率、入射角，通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量调制入射光的相位。
进一步地，采用二氧化硅作为基底材料和光栅单元材料。该材料在太赫兹波段透过率高；折射率n＝1.98；太赫兹波损耗小且易于加工。
进一步地，所述一维光栅结构为反射式或透射式衍射光栅。可以采用Au设置在二氧化硅基底的下方作为反射材料，制备反射式衍射光栅。
进一步地，以排列周期为优化变量调制入射光的相位的设计目标为：将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度。
更优地，进一步通过调整光栅的厚度和宽度控制入射光通过光栅整列的相位延迟，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，从而获得大偏转角的太赫兹光束偏折器。
进一步地，所述一维光栅结构为反射式或透射式衍射光栅；所述排列周期为：p＝λ/sinθ，其中λ为入射光波长，θ为偏转角。比如当入射光波长为400μm，对应工作频率为0.75THz，通过以上设计，偏转角可以达到20°-70°。
与现有技术相比，本发明及其优选方案能够实现大角度偏转、损耗小且易于加工、偏转效率高。现有传统光束偏折器大多只能实现相对较小的偏折，在大的偏转角下器件效率会显著降低，并且传统的超表面器件以金属作为单元材料,这样会因为金属损耗而导致器件效率低下，阻碍了诸如分子显微镜等高性能成像应用的发展。相比于此类设计，本发明利用两个一维光栅周期性排列代替传统超表面光束偏折器使用的一系列离散单元。光栅的厚度和宽度可以控制入射光通过光栅整列的相位延迟，通过优化光栅的尺寸以及基底尺寸来调制入射光的相位得到特定角度偏转的超表面太赫兹光束偏折器，获得大角度偏转且高偏转效率的太赫兹光束偏折器。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例透射式太赫兹光束偏折器结构和原理示意图；
图2为本发明实施例反射式太赫兹光束偏折器结构和原理示意图；
图3为本发明实施例透射式光束偏折器在固定厚度和优化厚度下衍射效率与偏转角的关系示意图。
图4为本发明实施例反射式光束偏折器在固定厚度和优化厚度下衍射效率与偏转角的关系示意图；
图5为本发明实施例透射式光束偏转器在偏转角为20°和70°情况下的波阵面示意图；
图6为本发明实施例反射式光束偏转器在偏转角为20°和70°情况下的波阵面示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实施例对光束偏折器的设计主要采用如下步骤：
步骤S1：利用两个宽度不同的一维光栅周期性排列构建光束偏折器的单元结构；
步骤S2：设计的入射光偏振态为TM偏振光、入射光的波长为400μm，对应工作频率为0.75THz、入射角为0°；
步骤S3：设计光栅的固定厚度为200μm，基底的固定厚度为300μm，以排列周期为优化变量来调制入射光的相位，并且可以有选择地将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度；
步骤S4：加入厚度优化变量，根据严格耦合波分析方法，利用Matlab编程计算不同偏转角下的衍射效率。在满足约束条件下，对设计的结构进行优化。入射光为正入射，且需要光落在+1衍射级上，这时光栅周期p＝λ/sinθ。分别优化偏转角度为20°-70°的对应的太赫兹光束偏折器的结构尺寸，最终得到能够将入射光引导到非常大的偏转角，并在广泛的偏转角范围内具有高的偏转效率的太赫兹光束偏折器。
图1和图2分别为本发明设计例中的透射式和反射式太赫兹光束偏折器设计示意图。
图3和图4分别为透射式和反射式光束偏折器在固定厚度和优化厚度下衍射效率与偏转角的关系。在工作频率f＝0.75THz，入射光为TM偏振光垂直入射，偏转角范围设置为20°-70°的情况下。从图中可以看出，当为透射式时，固定厚度的光束偏折器衍射效率整体较低,但也高于传统光束偏折器大偏转角时的衍射效率，而将光栅厚度与基底厚度也作为优化变量参与优化时，整体衍射效率大幅提高，尤其在偏转角为30°时，衍射效率最高达到了0.99，并且20°-70°范围内的偏转角的衍射效率均保持在0.8以上，比传统光束偏折器大偏转角时的效率高出许多；当为反射式时，偏转角小于50°，两种方案的衍射效率都达到了0.8以上，尤其是厚度参与优化的情况下，在20°-70°的偏转角范围内，设计的光束偏折器的衍射效率接近1。
图5和图6分别为本发明设计例中的透射式和反射式光束偏转器在偏转角为20°和70°情况下在x-z平面内的波阵面，其中横纵坐标分别表示在x和z方向上的长度，用波长的倍数来表示；箭头分别表示入射方向和偏转方向；等高线为场强度；方框里为太赫兹光束偏折器的几何位置。从图中可以看出，当为透射式时，入射光在经过设计的器件后传播方向发生了偏转。用优化后的结构参数代入p＝λ/sinθ去反推模拟出的偏转角，结论与最开始设置的偏转角吻合,透射光束确实被高效地偏转到预设的角度，这说明优化过程是有效的，也说明了设计的光束偏折器确实可以实现光束高效率的大偏转角出射；当为反射式时，可以看出反射光发生了一定角度的偏转，测量得到反推模拟出的偏转角与设置的偏转角吻合，证明所设计的反射式光束偏折器满足要求。
表1为本发明设计例中的透射式光束偏折器优化后的结构参数。可以发现相同偏转角下的周期基本相等，这是因为周期p＝λ/sinθ，周期只与入射光波长和偏转角有关。
表2为本发明设计例中的反射式光束偏折器优化后的结构参数。透射式和反射式光束偏折器的各个偏转角度下的光栅周期都是基本相同的。并且发现反射式光束偏折器的光栅厚度在20°-70°的偏转角度范围内总比透射式光束偏折器的光栅厚度薄很多，这是因为光会与超表面发生两次相互作用。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于介质超表面的太赫兹光束偏折器，其特征在于：首先利用两个一维光栅的周期性排列构建光束偏折器的单元结构；基于入射光偏振态、工作频率、入射角，通过设计固定厚度的光栅及基底尺寸，以排列周期为优化变量调制入射光的相位；
采用二氧化硅作为基底材料和光栅单元材料；
以排列周期为优化变量调制入射光的相位的设计目标为：将大部分入射光散射到+1衍射级，同时抑制其他衍射级的强度，进一步通过调整光栅的厚度和宽度控制入射光通过光栅整列的相位延迟，通过对两个宽度不同的光栅的尺寸、周期排列、基底厚度进行优化，从而获得大偏转角的太赫兹光束偏折器。
2.根据权利要求1所述的基于介质超表面的太赫兹光束偏折器，其特征在于：所述一维光栅结构为反射式或透射式衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的基于介质超表面的太赫兹光束偏折器的设计方法，其特征在于：所述一维光栅结构为反射式或透射式衍射光栅；所述排列周期为：p = l/sinq，其中l为入射光波长，q为偏转角。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114512816B (zh) * 2022-03-01 2023-04-18 电子科技大学 一种高效率反射式太赫兹波束偏折器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6426837B1 (en) * 1999-03-22 2002-07-30 Mems Optical, Inc. Diffractive selectively polarizing beam splitter and beam routing prisms produced thereby
CN110174719A (zh) * 2019-05-06 2019-08-27 南京邮电大学 基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜
CN111766651A (zh) * 2020-06-30 2020-10-13 安徽师范大学 线偏振光单向sp激发器、圆偏振光定向sp激发器、多向分束器及其偏振检测方法
CN112578490A (zh) * 2019-09-30 2021-03-30 南开大学 一种3d打印的低折射率大角度偏折稀疏光栅
CN113031139A (zh) * 2019-12-25 2021-06-25 南开大学 一种3d打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2063315A1 (en) * 2007-11-26 2009-05-27 Electronics And Telecommunications Research Institute Frequency-tunable terahertz light source device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6426837B1 (en) * 1999-03-22 2002-07-30 Mems Optical, Inc. Diffractive selectively polarizing beam splitter and beam routing prisms produced thereby
CN110174719A (zh) * 2019-05-06 2019-08-27 南京邮电大学 基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜
CN112578490A (zh) * 2019-09-30 2021-03-30 南开大学 一种3d打印的低折射率大角度偏折稀疏光栅
CN113031139A (zh) * 2019-12-25 2021-06-25 南开大学 一种3d打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅
CN111766651A (zh) * 2020-06-30 2020-10-13 安徽师范大学 线偏振光单向sp激发器、圆偏振光定向sp激发器、多向分束器及其偏振检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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《基于超表面的空间及面内光场调控研究》;王道鹏;《基于超表面的空间及面内光场调控研究》;1-56 *

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