基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。高。高。

【技术实现步骤摘要】
基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法


[0001]本专利技术属于太赫兹和光场调控等
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术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。本专利技术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。
[0006]本专利技术具体采用以下技术方案：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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
°
。
[0013]与现有技术相比，本专利技术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，本专利技术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
[0014]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：
[0015]图1为本专利技术实施例透射式太赫兹光束偏折器结构和原理示意图；
[0016]图2为本专利技术实施例反射式太赫兹光束偏折器结构和原理示意图；
[0017]图3为本专利技术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。
[0018]图4为本专利技术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；
[0019]图5为本专利技术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；
[0020]图6为本专利技术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
[0021]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：
[0022]本实施例对光束偏折器的设计主要采用如下步骤：
[0023]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；
[0024]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
°
；
[0025]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；
[0026]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。
[0027]图1和图2分别为本专利技术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。
[0028]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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：采用二氧化硅作为基底材料和光栅单元材料。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，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。4.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：以排列周期为优...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，吴泽波，陈佳强，陈燕青，王向峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：