利用超表面的偏振状态生成制造技术

本公开提供了一种光学部件，该光学部件可以是超表面光栅，该光学部件包括(a)基板以及(b)亚波长间隔的移相元件的阵列，这些移相元件被嵌入在基板上，以在被用偏振入射光照射时，对于有限数量的衍射级中的每个衍射级产生具有不同偏振状态的衍射光束，其中，该有限数量为2或更大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用超表面的偏振状态生成相关申请的交叉引用本申请要求于2018/01/24提交的美国临时申请No.62/621,453的权益和优先权，该美国临时申请的内容通过引用整体并入本文。
本公开涉及光学领域，并且更具体地，涉及利用超表面的偏振状态生成。联邦政府赞助的研究或开发的声明本专利技术是利用国家科学基金资助No.DGE1144152和空军科学研究所(MURI，资助No.FA9550-14-1-0389和No.FA9550-16-1-0156)下的政府支持进行的。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术实现思路
一个实施例提供了一种光学部件，该光学部件包括(a)基板以及(b)亚波长间隔的移相元件的阵列，移相元件被嵌入在基板上，以在被用偏振入射光照射时，对于有限数量的衍射级中的每个衍射级产生具有不同偏振状态的衍射光束，其中，该有限数量为2或更大。另一个实施例提供了一种光学仪器，该光学仪器包括：(A)光学部件，该光学部件包括(a)基板以及(b)亚波长间隔的移相元件的阵列，移相元件被嵌入在基板上，以在被用偏振入射光照射时，对于有限数量的衍射级中的每个衍射级产生具有不同偏振状态的衍射光束，其中，该有限数量为2或更大；以及(B)一个或多个检测元件，每个检测元件被配置为检测衍射级中的一个衍射级的衍射光束。又一个实施例提供了一种偏振测试方法，该偏振测试方法包括：用测试光照射上述光学部件；以及针对该有限数量的衍射级中的每个衍射级，测量从光学部件衍射的光束的光强度。附图说明图1：偏振测定相当于入射的斯托克斯向量在多个分析斯托克斯向量上的若干投影测量。如果分析向量是已知的并且是线性独立的，则可以重新获得图2：a，示例性示意图：超表面衍射光栅可以被设计成在其衍射级上产生任意的指定的偏振状态。同一设备还可以用作并行偏振仪。b，这样的超表面可以由具有两个垂直的镜像对称轴(例如，矩形)的柱状移相元件构成，移相元件的正交尺寸wx和wy可以被调节成允许x和y偏振光上的独立且可调的相位延迟Φx和Φy。c，如果将尺寸相异的N个这种元件布置成沿着方向的周期性单位单元，则可以形成1D超表面衍射光栅。在单位单元中的每个点处，在x和y偏振光上赋予恒定的相位。然后，以N-向量Φx和Φy的形式描述这些偏振所经历的相位分布。d，光栅的每个衍射级对应于各自沿着x/y取向的二向衰减器和相位延迟器的块体光学级联。这些元件执行偏振变换，从而在给定偏振入射时在该衍射级上产生某个偏振。e，庞加莱球(Poincarésphere)可以有助于理解一般输入偏振的衍射级的行为。标准庞加莱球(左上)表示所有可能的入射偏振的集合。在经过二向衰减器之后，球沿着S1轴变形，变形的程度取决于二向衰减器的消光比(右上)。最后，相位延迟器使球沿着S1轴进动等于其延迟δ(m)的角度(底部)。在每个球上，红色箭头和蓝色点表示(d)中描绘的偏振椭圆。输出光束的功率是偏振相关的(未示出)。f，通常，除了光栅之外，在单个超表面(c)中包含的功能还涉及在每个级上的二分之一波片和四分之一波片，即，2P双折射片。图3：a，用于设计超表面偏振光栅的优化例程的示例性示意图。优化对相位分布和的初始猜测，以在期望的偏振状态的约束下使用梯度下降将尽可能多的光引导到感兴趣的衍射级。可以通过考虑所使用的移相器的模拟性质的无梯度方法来改进此猜测，并生成最终的几何形状。这些几何形状在的TiO2中实现以用于在λ＝532nm处的操作。b，(a)中的方案被用于生成两种光栅，一种光栅用于通常感兴趣的四种偏振(顶部)，以及一种光栅用于偏振状态的四面体配置(底部)。每种光栅生成四种偏振状态，并且示出了在每个光栅级上的目标椭圆、来自FDTD模拟的期望值以及实验观察到的偏振椭圆。c，如由“四种偏振”(顶部)和“四面体”(底部)光栅制成的设计(黑色)和电子显微照片。在四面体光栅中，极其小的柱无法在制造中幸存下来。d，庞加莱球上的(b)中的结果的表示。虚线表示设计的偏振，并且实线表示实验测量。图4：a，因为每个衍射级都可以被看作是二向衰减器与延迟器的级联(图2d)，所以当来自已知偏振(在这种情况下，45°的线性偏振)的源的光入射时，产生特征偏振如果未知偏振的光在相反方向上入射并且如果用检测器替换光源，则通过时间反演对称性获得所测得的强度b，这个事实允许超光栅充当并行偏振仪。四面体光栅的四个衍射级中的每个衍射级都可以用作单独的分析器。入射到超表面上的光穿过45°的线性偏振器，然后衍射到四个光电二极管上，这四个光电二极管的光电流被放大并且通过模数转换器(ADC)被数字化。出于测试和校准的目的，光穿过超光栅前面的各种偏振光学器件。文中描述了框出的部件(i)和(ii)的作用。c，当线性偏振器在其路径长度差大于激光相干长度Lcoh的偏振Mach-Zehnder干涉仪((b)中的(i))前面被旋转时，偏振度(DOP)变化。绘制了由超光栅偏振仪报告的DOP，它几乎相等地遵循理论上预期的曲线。在45°(插图)处，当光最大程度地被退相干时，测得p＝.2±0.176％的DOP。图5：在每一列中，使用不同的偏振测定量比较超表面光栅偏振仪(超表面)和商用旋转波片偏振仪(RWP)。在图的顶行中，由每个偏振仪报告的值被对照彼此进行绘制(在完美对应的情况下，所有值的位置将沿着1:1线)。示出了每个图线的插图。由于对于商用RWP而言准确性不是已知的，因此针对超表面值给出了误差条。在图的底行中，计算并用直方图绘制由每个偏振仪报告的值之间的差异。每个分布都用正态分布拟合，并且针对每个分布给出了均值μ和方差σ。所检验的量是偏振度(DOP)、方位角二倍角2θ和椭圆率二倍角2∈。后两个是给出庞加莱球上的偏振状态的球坐标的偏振椭圆的参数。图6：在64次迭代上的品质标准的评估。这里示出了总品质标准，例如，被引导到感兴趣的级的x和y偏振光中的每一个的量。由于在这种情况下入射偏振为45°，因此ηx＝ηy。效率收敛至峰值ηsum＝1.4639，这意味着总效率图7：在64次迭代上的文中的四偏振光栅的约束结果的收敛。图8：根据优化的相位分布和的直接傅立叶变换在四个衍射级上获得的偏振椭圆。图9：Lumerical中设计的光栅的FDTD模拟的示意图。图10：根据设计的衍射光栅的FDTD模拟预测的衍射级上的偏振椭圆。图11：改变向电子束系统给出的标称制造CAD对在四偏振光栅上的m＝-2、-1、+1和+2上产生的偏振椭圆的影响。图12：改变向电子束系统给出的标称制造CAD对在四面体光栅上的m＝-2、-1、+1和+2上产生的偏振椭圆的影响。图13：在超表面光栅偏振仪的校准的第一阶段期间使用的光学装置的示意图。图14：可视化：当线性偏振器被旋转时，入射的激光束在超表面上轨迹为圆形路径。图15：在超表面光栅偏振仪的校准的第二阶段期间使用的光学装置的示意图。图16：通过将偏振仪暴露于RCP和LCP光而获得的校准数据。对每个通道上获得的值求平均产生和注意的是，对于一个圆偏振，光电二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学部件，所述光学部件包括：/n(a)基板；以及/n(b)亚波长间隔的移相元件的阵列，所述移相元件被嵌入在所述基板上，所述移相元件被配置为在被用偏振入射光照射时，对于有限数量的衍射级中的每个衍射级产生具有不同偏振状态的衍射光束，其中，所述有限数量为2或更大。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180124 US 62/621,4531.一种光学部件，所述光学部件包括：
(a)基板；以及
(b)亚波长间隔的移相元件的阵列，所述移相元件被嵌入在所述基板上，所述移相元件被配置为在被用偏振入射光照射时，对于有限数量的衍射级中的每个衍射级产生具有不同偏振状态的衍射光束，其中，所述有限数量为2或更大。


2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述阵列是一维阵列。


3.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述移相元件包括柱。


4.根据权利要求3所述的光学部件，其中，所述柱具有矩形截面。


5.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述移相元件包括二氧化钛、氮化硅、氧化物、氮化物、硫化物或纯元素。


6.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述亚波长间隔的移相元件被嵌入在所述基板上，并且被配置为在被用所述偏振入射光照射时，产生四种不同偏振状态。


7.根据权利要求6所述的光学部件，其中，所述亚波长间隔的移相元件被嵌入在所述基板上，并且被配置为在被用相对于所述基板的表面+45°线性偏振的入射光照射时，分别在-2、-1、+1和+2衍射级产生+45°线性偏振状态、右圆偏振状态、左圆偏振状态和-45°线性偏振状态。


8.根据权利要求6所述的光学部件，其中，所述亚波长间隔的移相元件被嵌入在所述基板上，并且被配置为在被用相对于所述基板的表面+45°线性偏振的入射光照射时，在-2、-1、+1和+2衍射级产生与内接在庞加莱球中的四面体的顶点对应的四种偏振状态。


9.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述基板的与所述基板的表面平行的每个尺寸不超过2毫米(mm)。


10.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述亚波长间隔的移相元件的数量在从10至40的范围内。


11.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述衍射级中的每个衍射级的偏振状态是线性独立的。


12.一种光学仪器，所述光学仪器包括：
(a)根据权利要求1所述的光学部件；以及
(b)一个或多个检测元件，每个检测元件被配置为检测所述衍射级中的一个衍射级的衍射光束。


13.根据权利要求12所述的光学仪器，所述光学仪器包括所述有限数量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·A·鲁宾，F·卡帕索，
申请(专利权)人：哈佛学院院长及董事，
类型：发明
国别省市：美国;US