基于超构光栅的多功能高效分束器制造技术

本实用新型专利技术揭示了一种基于超构光栅的多功能高效分束器，所述分束器包括若干周期性分布的超构光栅，所述超构光栅包括若干间隔分布的介质层，介质层之间形成有多个空气狭缝，介质层与空气狭缝的厚度相等，介质层具有不同的宽度，空气狭缝具有不同的宽度，每个超构光栅的相位延迟跨越2π的相位范围，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ相等。本实用新型专利技术的分束器基于超构光栅的衍射机制，能同时实现能量和偏振的高效率光束分裂，并具有宽带响应，能够适用于成像系统及光通信领域。于成像系统及光通信领域。于成像系统及光通信领域。

【技术实现步骤摘要】
基于超构光栅的多功能高效分束器


[0001]本技术属于光束传输
，具体涉及一种基于超构光栅的多功能高效分束器。

技术介绍

[0002]分束器(Light Beam Splitters，LBS)可以将入射光束分为两部分，是现代先进光学技术中不可或缺的光学元件，在许多应用和各种光学设备中发挥着重要作用，如光学开关、光偏振仪、量子光子学集成电路和通信设备等，LBS通常为光栅或半反射镜面，其重量大，难以集成到紧凑型光学器件中。
[0003]随着集成光子学的发展，人们迫切需要紧凑高效的LBS，这促使人们以各种方式努力实现这一目标。纳米光子学中出现的光学相位梯度超表面(PGM)为我们提供了一种设计紧凑、平坦、高性能的LBS的新范例。PGM是亚波长元原子的周期性排列，通过适当设计光与元原子之间的相互作用，可以有效地操纵电磁波(EM)的振幅、相位和偏振特性，从而产生各种功能，如超薄隐形、超透镜、回射和不对称传播等。
[0004]然而，对于目前报道的大多数基于亚表面的LBS，对于固定偏振光，它们只能实现偏振分裂或能量分离，很少有研究报道在一个设计中同时实现上述两个功能。光子集成系统具有灵活多样的光流控制能力，因此需要多功能、高效率的LBS。
[0005]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于超构光栅的多功能高效分束器。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本技术的目的在于提供一种基于超构光栅的多功能高效分束器。
[0007]为了实现上述目的，本技术一实施例提供的技术方案如下：/>[0008]一种基于超构光栅的多功能高效分束器，所述分束器包括若干周期性分布的超构光栅，所述超构光栅包括若干间隔分布的介质层，介质层之间形成有多个空气狭缝，介质层与空气狭缝的厚度相等，介质层具有不同的宽度，空气狭缝具有不同的宽度，每个超构光栅的相位延迟跨越2π的相位范围，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ相等。
[0009]一实施例中，所述分束器用于实现入射光束的偏振分裂，入射光束包括横向电偏振光和横向磁偏振光，分束器能够实现横向电偏振光的全反射及横向磁偏振光衍射阶数最低的负折射。
[0010]一实施例中，所述超构光栅包括m个空气狭缝，超构光栅的周期宽度为p，介质层与空气狭缝的厚度为d，空气狭缝的宽度为w
i
，i＝1～m，相邻空气狭缝之间的中心距离为a＝p/m，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ＝2π/m。
[0011]一实施例中，横向磁偏振光在所述空气狭缝中仅存在基本模式，且满足：
[0012][0013]其中，β
i
为传播常数，其实部表示传播波矢量，虚部表示表面等离子体激元在空气狭缝中的耗散，k0＝2π/λ为真空中的波矢量，λ为入射光束的波长，ε
m
为介质层的介电常数；
[0014]第i个空气狭缝的相位延迟Φ
i
为：
[0015]Φ
i
＝β
i
*d
‑
δ；
[0016]其中，δ为光栅和空气之间的界面处多次反射而产生的附加相位。
[0017]一实施例中，所述介质层的材料为银，介电常数ε
m
＝
‑
17.36+0.715i，超构光栅的周期宽度为p＝λ，介质层与空气狭缝的厚度为d＝0.6λ～2.4λ，超构光栅包括5个空气狭缝，宽度分别为w1、w2、w3、w4、w5，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ＝2π/5。
[0018]一实施例中，所述入射光束的波长λ为590nm～668nm，入射角为θ
i
∈(
‑
74
°
,
‑7°
)。
[0019]一实施例中，所述入射光束的波长λ＝650nm，且d＝1.5λ时，空气狭缝的宽度分别为w1＝120nm、w2＝68nm、w3＝46nm、w4＝34nm、w5＝27nm。
[0020]一实施例中，横向磁偏振光在所述超构光栅的入射角和反射角满足：
[0021]k0sinθ
i
＝k0sinθ
t
+nG；
[0022]其中，为相位梯度，θ
i
和θ
t
分别为入射角和折射角，G＝2π/p为倒格矢，n为衍射级次，且ζ＝G。
[0023]一实施例中，n＝
‑
1为横向磁偏振光的最低衍射级次；
[0024]当入射角小于临界角时，折射光遵循n＝
‑
1的衍射级次；
[0025]当入射角大于临界角时，折射光遵循n＝1的衍射级次。
[0026]一实施例中，所述横向电偏振光的反射消光比ERTE大于10dB，所述横向磁偏振光的透射消光比ERTM大于132dB。
[0027]本技术具有以下有益效果：
[0028]本技术的分束器基于超构光栅的衍射机制，能同时实现能量和偏振的高效率光束分裂，并具有宽带响应，能够适用于成像系统及光通信领域。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本技术基于超构光栅的多功能高效分束器的结构示意图；
[0031]图2为本技术一实施例中相位延迟Φ
i
与空气狭缝宽度w
i
的对应关系曲线图；
[0032]图3a为本技术一实施例中横向磁偏振光(TM)的入射角和每个衍射级的衍射效率之间的对应关系曲线图；
[0033]图3b为本技术一实施例中横向电偏振光(TE)的入射角和每个衍射级的衍射效率之间的对应关系曲线图；
[0034]图3c为本技术一实施例中横向磁偏振光(TM)的磁场模拟图；
[0035]图3d为本技术一实施例中横向电偏振光(TE)的磁场模拟图；
[0036]图4a为本技术一实施例中反射消光比ER
TE
和入射角之间的关系曲线图；
[0037]图4b为本技术一实施例中透射消光比ER
TE
和入射角之间的关系曲线图；
[0038]图4c为本技术一实施例中入射角θ
i
＝
‑
30
°
时横向电偏振光(TE)的频率响应曲线图；
[0039]图4d为本技术一实施例中入射角θ
i
＝
‑
30
°
时横向磁偏振光(TM)的频率响应曲线图；
[0040]图5a为本技术一实施例中不同厚度下入射角与T
‑1级衍射效率的曲线图；
[0041]图5b为本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超构光栅的多功能高效分束器，其特征在于，所述分束器包括若干周期性分布的超构光栅，所述超构光栅包括若干间隔分布的介质层，介质层之间形成有多个空气狭缝，介质层与空气狭缝的厚度相等，介质层具有不同的宽度，空气狭缝具有不同的宽度，每个超构光栅的相位延迟跨越2π的相位范围，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ相等。2.根据权利要求1所述的基于超构光栅的多功能高效分束器，其特征在于，所述分束器用于实现入射光束的偏振分裂，入射光束包括横向电偏振光和横向磁偏振光，分束器能够实现横向电偏振光的全反射及横向磁偏振光衍射阶数最低的负折射。3.根据权利要求1所述的基于超构光栅的多功能高效分束器，其特征在于，所述超构光栅包括m个空气狭缝，超构光栅的周期宽度为p，介质层与空气狭缝的厚度为d，空气狭缝的宽度为w
i
，i＝1～m，相邻空气狭缝之间的中心距离为a＝p/m，相邻空气狭缝之间的相位差ΔΦ＝2π/m。4.根据权利要求3所述的基于超构光栅的多功能高效分束器，其特征在于，横向磁偏振光在所述空气狭缝中仅存在基本模式，且满足：其中，β
i
为传播常数，其实部表示传播波矢量，虚部表示表面等离子体激元在空气狭缝中的耗散，k0＝2π/λ为真空中的波矢量，λ为入射光束的波长，ε
m
为介质层的介电常数；第i个空气狭缝的相位延迟Φ
i
为：Φ
i
＝β
i
*d
‑
δ；其中，δ为光栅和空气之间的界面处多次反射而产生的附加相位。5.根据权利要求4所述的基于超构光栅的多功能高效分束器，其特征在于，所述介质层的材料为银，介电常数ε
m
＝
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亚东，孙宝印，曹燕燕，金霞，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：