基于全介质超表面结构的退偏器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于全介质超表面结构的退偏器，包括：基底和全介质超表面纳米结构单元，所述基底采用介质材料，所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构，全介质超表面纳米结构单元以快轴与x轴夹角角度随机分布在基底上，形成纳米单元阵列，当波长为250nm‑20μm的光波入射到表面时，经过纳米单元阵列的相位调制，透射光波将以随机偏振角度的集合射出，整体表现为非偏振光。本发明专利技术设计的光学退偏器具有超薄的厚度(纳米量级)，有利于器件与纳米光子学系统相结合，可以实现小体积、对入射角度不敏感、对入射线偏光方向不敏感以及宽带宽光退偏等。

Depolarizer based on all dielectric super surface structure

【技术实现步骤摘要】
基于全介质超表面结构的退偏器
本专利技术属于纳米光子学领域，特别涉及一种基于全介质超表面结构的光学退偏器。
技术介绍
入射光的偏振态是光的最基本的属性之一，然而对于用于表征和成像的光栅光谱仪来说，线偏光是不需要的，它会影响仪器的测量精度。因此，人们开始利用退偏器来减小这些偏振光所带来的影响。早在1928年，Loyt第一次提出了一种无源的退偏器，由两个双折射元件串联而成的，它们光轴之间的夹角为45°，并且只能工作在宽波段光束下。随着激光器的产生，人们开始寻求退偏单色光的方法。1951年，Billings成功实现了对单色光的退偏，他通过利用随时间快速变化的偏振态来实现退偏性能，另一种典型的用于单色光退偏的退偏器由有结构角的楔形石英晶体构成，但是它要求垂直入射线偏光的偏振面与晶体快轴夹角为45度，才能实现退偏效果。21世纪以来，液晶退偏器不断被提出并广泛应用。目前，退偏器或是体系复杂，结构庞大，或是只能应用于宽波段光束退偏，或是严格的要求入射偏振光的角度，更重要的是它们只能对大直径光束进行退偏(约为毫米量级)，然而这显然与现在的集成化小型化光学系统的要求是矛盾的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于全介质超表面结构的光学退偏器。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于全介质超表面结构的退偏器，包括：基底和全介质超表面纳米结构单元，所述基底采用介质材料，所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构，全介质超表面纳米结构单元以快轴与x轴夹角角度随机分布在基底上，形成纳米单元阵列，当波长为250nm-20μm的光波入射到表面时，经过纳米单元阵列的相位调制，透射光波将以随机偏振角度的集合射出，整体表现为非偏振光。进一步的，基底和全介质超表面纳米结构单元介电常数的比值在1:1.3～1:3。进一步的，基底采用低介电常数的低损耗材料，例如，透明玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃等。进一步的，全介质超表面纳米结构单元采用较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，例如氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、硅、氮化硅或锗等。进一步的，全介质超表面纳米结构单元在基底上采用准周期或者周期性排布，每个周期单元的基底的边长为P，P为0.5λ～λ，λ为入射光波波长。进一步的，全介质超表面纳米结构单元的高度为H，其横截面的形状尺寸为特征尺寸，H为0.4λ～1.2λ，特征尺寸为0.2P～0.8P。进一步的，纳米结构单元横截面的形状为几何图形，例如长方形或椭圆形。进一步的，纳米结构阵列的尺寸为N×P，且为微米量级，N为正整数。本专利技术提供的一种超表面退偏器选择高折射率低损耗材料作为纳米结构单元，通过调节纳米单元结构的尺寸可以实现较高的偏振转化效率；选用特定参数的纳米单元结构，构成整个超表面阵列，可以实现宽波段的单色光退偏。纳米结构单元的横截面为椭圆形或长方形，同一超表面阵列的单元结构形状相同。入射光在设计的纳米单元结构中，正交线偏振光的相位差为±π，表现为一种亚波长纳米半波片；超表面阵列对入射线偏光的偏振方向没有要求。因此，相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术设计的光学退偏器具有超薄的厚度(纳米量级)，有利于器件与纳米光子学系统相结合。2、由于基底为低介电常数的低损耗材料，超表面结构的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，因此本专利技术设计的超表面退偏器具有优秀的退偏效果。3、基于超表面结构的退偏器可以实现小体积、对入射角度不敏感、对入射线偏光方向不敏感以及宽带宽光退偏等，这些特点在传统的退偏器中是很难实现的。本专利技术在对微米量级直径光束退偏方面有重要应用。附图说明图1是本专利技术实施例纳米单元结构的侧视图，其中，1-二氧化钛，2-石英玻璃，H-600nm。图2是本专利技术实施例纳米单元结构的俯视图，其中，P＝450nm，Dx＝335nm，Dy＝120nm。图3是本专利技术实施例纳米单元结构在不同波长下得到的偏振转化效率(虚线表示交叉偏振，点线表示共偏振)和相位延迟(实线所示)。图4是本专利技术的退偏器部分结构转角示意图(箭头代表快轴方向)。图5是本专利技术实施例中制备的超表面退偏器的光学显微镜图，比例尺为100μm。图6是本专利技术实施例中制备的超表面退偏器的大区域扫描电子显微图，比例尺为5μm。图7是图6在扫描电子显微镜下的局部放大图，比例尺为500nm。图8是本专利技术实施例制备的超表面退偏器的具有一定倾斜角度的电子显微图，比例尺为2μm。图9是本专利技术实施例制备的超表面退偏器采用532nm激光的退偏测试结果。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。实施例以石英玻璃为基底、二氧化钛为纳米结构单元材料。一种基于全介质超表面结构的光学退偏器，设计具有高对称性的全介质超表面纳米结构单元，纳米结构单元的横截面可以是任意几何图形，例如长方形或椭圆形。基底为低介电常数的低损耗材料，如透明玻璃，氟化钙，氟化钡，以及红外硫系玻璃等。全介质超表面纳米结构单元的材料为较高介电常数的低损耗介质材料或者半导体材料，例如氮化镓，二氧化铪，二氧化钛，硅，氮化硅，锗等。本实施例以横截面为长方形的二氧化钛柱为例，退偏器的全介质超表面纳米结构单元在基底上采用准周期或者周期性排布，每个周期单元为一个微结构超表面单元，如图1所示，微结构超表面单元包括两个部分，1为二氧化钛介质柱，2为石英玻璃基底，周期P＝450nm，P是每个周期单元基底的边长，全介质超表面纳米结构单元的高度为H＝600nm，特征尺寸Dx＝335nm，Dy＝120nm。微结构超表面单元结构的俯视图如图2所示。当入射线偏光的电场方向与纳米结构单元光轴夹角为θ时，透射光的偏振方向会沿着光轴的方向旋转2θ，因此，对于一个特定偏振方向的线偏光，当光轴方向随机分布时，出射光的偏振方向也是随机分布的，因此整体上表现为没有某一方向的偏振光更强，为非偏振光。为了量化表示偏振度，通过斯托克斯矢量来表示入射光偏振态，即Sin＝(I,Q,U,V)T，出射光偏振态为Sout＝(I′,Q′,U′,V′)T，偏振度用DOP来表示，因此其中，I为入射光总强度，Q为入射光在x分量与y分量的强度差，U为入射光在+45°和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全介质超表面结构的退偏器，其特征在于：包括基底和全介质超表面纳米结构单元，所述基底采用介质材料，所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构，全介质超表面纳米结构单元以快轴与x轴夹角角度随机分布在基底上，形成纳米单元阵列，当波长为250nm-20μm的光波入射到表面时，经过纳米单元阵列的相位调制，透射光波将以随机偏振角度的集合射出，整体表现为非偏振光。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全介质超表面结构的退偏器，其特征在于：包括基底和全介质超表面纳米结构单元，所述基底采用介质材料，所述全介质超表面纳米结构单元为各向异性结构，全介质超表面纳米结构单元以快轴与x轴夹角角度随机分布在基底上，形成纳米单元阵列，当波长为250nm-20μm的光波入射到表面时，经过纳米单元阵列的相位调制，透射光波将以随机偏振角度的集合射出，整体表现为非偏振光。


2.根据权利要求1所述的基于全介质超表面结构的退偏器，其特征在于：所述基底和全介质超表面纳米结构单元介电常数的比值在1:1.3～1:3。


3.根据权利要求1所述的基于全介质超表面结构的退偏器，其特征在于：所述基底采用低介电常数的低损耗材料，例如，透明玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃等。


4.根据权利要求1所述的基于全介质超表面结构的退偏器，其特征在于：所述全介质超表面纳米结构单元采用较...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐挺，王艺霖，范庆斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32