一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态；每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，四块平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；这四个平面聚焦镜的焦距一致；本发明专利技术提供的紧凑偏振态测量仪在可见光波段损耗较小，在近红外到红外波段几乎没有损耗，极大降低了光损耗，提高了探测的灵敏度。

A compact polarization state measuring instrument based on dielectric hyper surface

The invention discloses a compact polarization measuring instrument based on the media surface, including media surface and detector array detector array located in the focus of the media surface; media surface includes a plurality of basic modules, the basic module of the adjacent contact with each other; each basic module to work independently to obtain the polarization state of incident to stay the basic surface of the metering module; each basic module includes a first plane focus lens, second plane focus lens, third plane focusing mirror and the fourth plane focus lens, four plane focusing mirror in from left to right, since the order form field shaped planar structure; the four a plane focus lens focal length; the invention provides a compact polarization measurement in the visible band small loss in the near infrared to the infrared band almost no loss, which greatly reduces the optical loss The sensitivity of detection is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪
本专利技术属于光学器件
，更具体地，涉及一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪。
技术介绍
偏振态测量仪在高速光通信、偏振成像、激光技术等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，主要有两类偏振态测量方法：一类是利用四分之一波片和线偏振片不同旋向的组合对入射光进行多次测量，利用测得的数据计算出入射光的斯托克斯参量，这种方法的缺点是要进行多次测量，无法对瞬间的偏振态进行判断；另一类是将待测光分成几路，每一路的待测光用已固定好旋向的四分之一波片以及线偏振片进行探测，这种方法实现了瞬态的数据采集，但是系统庞大、复杂并且成本高。近年来，一种二维的超表面材料被用在调控光的强度、相位、偏振态中，为偏振态的探测提供了新的思路。2015年，AndersPors等人利用一种具有双折射性质的间隙表面等离子体的超表面结构引入对不同偏振态分量的入射光的相位梯度调制，成功将入射光中的偏振态分量分离到不同的出射方向，通过实时探测各个方向衍射光的强度，计算出瞬态的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态，(AndersPors,等.“PlasmonicmetagratingsforsimultaneousdeterminationofStokesparameters,”Optica2,716-723(2015))；其所采用的器件材料为金和二氧化硅，是在一层较厚的金层上覆盖一层纳米尺度厚的二氧化硅、再在其上沉积一层在空间尺度上不断变化的纳米金块阵列所形成的结构；由于在使用透射光来进行探测时，纳米金块阵列对于入射光有较大的损耗，在保留纳米金属块对入射光相位调制能力的同时，利用一种间隙表面等离子体的结构增大对于入射光的反射率，减小对入射光的损耗，并利用反射光进行探测；然而，由于使用了金属元素，不可避免存在较大的光损耗；另外，由于是利用反射光进行探测，难以实现近场的探测，系统需要使用多个光学透镜将衍射到不同方向的光聚焦到探测器表面，增加了系统的复杂度，限制了器件的集成度。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，其目的在于提高偏振态器件的探测灵敏度，并且提高器件集成度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；其中，介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触，多个基本模块共同构成具有厚度的平面结构；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态；每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，相邻两块平面聚焦镜相互接触；第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；上述四个平面聚焦镜的焦距相同；其中，第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；这四个平面聚焦镜对于入射光中上述四种偏振分量之外的其余偏振分量起透射作用，但没有聚焦作用，其余偏振分量的透过光散布在探测器阵列表面作为背景光。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜包括多个基础单元，每个基础单元包括基板与设于基板上的截面为椭圆的硅柱；相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一平面聚焦镜；其中，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大，通过调整硅柱截面椭圆的长、短轴，对入射光实现在2π范围内的相位调制。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其基础单元的基板材料为石英。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的逆时针旋向角固定为0。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的长轴和短轴满足以下关系：其中，Dx第一平面聚焦镜的基础单元硅柱截面椭圆的长轴大小、Dy为第一平面聚焦镜的基础单元硅柱截面椭圆的短轴大小，长轴在水平方向，短轴在垂直方向；λ1为第一平面聚焦镜的工作波长，(x,y)是第一平面聚焦镜上任意一点的坐标，f1为第一平面聚焦镜的焦距大小，const为常数；根据时域有限差分(FDTD)算法，以(0，0)为焦点位置在平面聚焦镜上的投影坐标，将硅柱截面椭圆的长轴、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的相位调制上，获得映射关系F；F-1是映射关系F的逆映射，是将对水平偏振入射光的相位调制映射到相应的硅柱截面椭圆的长轴、短轴大小上获得的映射关系；其中，时域有限差分(FDTD)算法是指将麦克斯韦方程中两个旋度的方程在空间和时间上用中心差分格式进行离散，从而获得一组递推方程，并且在一定的边界条件下来求解麦克斯韦方程组的算法；中心差分格式能够保证时域有限差分(FDTD)的解具有二阶精度，并且在满足Courant条件时其结果是稳定的。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第二平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱以轴向为中心统一沿顺时针或逆时针方向旋转90度获得。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第三平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱以轴向为中心统一沿逆时针方向旋转45度获得。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第四平面聚焦镜基础单元硅柱的逆时针旋向角其中，(x,y)是第四平面聚焦镜上任意一点的坐标，θ(x,y)为点(x,y)位置处基础单元硅柱的逆时针旋向角，λ2为第四平面聚焦镜的工作波长，f2为第四平面聚焦镜的焦距大小，const为常数；当第四平面聚焦镜基础单元硅柱的旋向覆盖0～π时，第四平面聚焦镜对圆偏振光的相位调制可以覆盖0～2π。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第四平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的长轴与短轴大小固定，满足如下关系：F(Bx，By)+F(By，Bx)＝0；其中，Bx为第四平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆长轴大小、By为第四平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆短轴大小，当第四平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆旋转角θ为0时，长轴在水平方向，短轴在垂直方向，F是指将第四平面聚焦镜硅柱截面椭圆的长、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的相位调制上所得到映射关系。优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，基础单元的基板为矩形石英基板，其横向截面的长度和宽度在λ3与0.5λ3之间取值，以减小衍射效应并达到水平偏振态以及垂直偏振态的入射光在基础单元的硅柱中形成米氏共振；其中，λ3为入射光波长。进一步优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，石英基板长、宽相等，硅柱的高度小于入射光波长，且硅柱的长轴为0.1×基底长度～0.9×基底长度，短轴为0.1×基底宽度～0.9×基底宽度，以降低制备难度并减小相邻椭圆状硅柱之间相互耦合影响。进一步优选的，上述的紧凑偏振态测量仪，其第四平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱以轴向为中心统一沿顺时针或逆时针方向旋转0～180度获得，使其对圆偏振的相位调制达到0～360度；进一步优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，其特征在于，包括介质超表面和探测器阵列，所述探测器阵列位于介质超表面的焦距处；所述介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到所述基本模块表面的待测光的偏振态；每个所述基本模块包括焦距相同的第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜；所述第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；所述第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑。

【技术特征摘要】
1.一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪，其特征在于，包括介质超表面和探测器阵列，所述探测器阵列位于介质超表面的焦距处；所述介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到所述基本模块表面的待测光的偏振态；每个所述基本模块包括焦距相同的第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜；所述第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；所述第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑。2.如权利要求1所述的紧凑偏振态测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜包括多个基础单元，每个所述基础单元包括基板与设于基板上的截面为椭圆的硅柱；相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一平面聚焦镜。3.如权利要求1或2所述的紧凑偏振态测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的逆时针旋向角固定为0度。4.如权利要求3所述的紧凑偏振态测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜的基础单元的硅柱截面椭圆的长轴和短轴满足以下关系：其中，Dx第一平面聚焦镜的基础单元硅柱截面椭圆的长轴大小、Dy为第一平面聚焦镜的基础单元硅柱截面椭圆的短轴大小，长轴在水平方向，短轴在垂直方向；λ1为第一平面聚焦镜的工作波长，(x,y)是第一平面聚焦镜上任意一点的坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏淑文，杨振宇，赵茗，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42