本发明专利技术公开了一种基于微纳结构粒子的光学退偏器，包括微纳结构粒子组成的单元阵列和衬底，所述微纳结构粒子具有相互正交的长轴和短轴，衬底为电磁波透射或反射材料，微纳结构粒子在衬底材料表面。微纳结构粒子与入射线偏振光电场分量振动方向的夹角为旋转角度，排列方式满足相邻微纳结构粒子旋转角度递增或递减排列。入射线偏振光经过光学退偏器后，输出光的偏振方向随空间位置变化，输出光整体表现为非偏振光，实现光学退偏。本发明专利技术的光学退偏器光学效率高，退偏后光的偏振度低，对入射线偏振光偏振方向不敏感。偏振光偏振方向不敏感。偏振光偏振方向不敏感。
【技术实现步骤摘要】
一种基于微纳结构粒子的光学退偏器
[0001]本专利技术属于光学器件领域，涉及一种基于微纳结构粒子的光学退偏器。
技术介绍
[0002]偏振是光的一种基本属性，在光学系统中，光的偏振态有着重要作用，如偏振分光、偏振成像等。然而在一些光学系统中，由于光信号的偏振度(DOP)较大，导致系统性能降低。比如在光谱仪中，由于探测器的光学响应对入射光偏振方向敏感，导致不同偏振态的光入射会改变系统探测效率，为了在偏振光入射下获得稳定的探测效率，需要在光路中增加退偏器以降低入射光的偏振度。因此退偏器是偏振敏感光学系统中重要的光学器件之一。
[0003]目前的光学退偏器主要有两种类型：双折射晶体退偏器、液晶退偏器。此外还有新型的光学退偏器包括纤维纳米晶退偏器、超表面退偏器等。
[0004]双折射晶体退偏器主要是基于石英等两片双折射晶体组合的Lyot型结构或者楔形结构。其中Lyot结构采用两片厚度比为2：1的波片组成，两波片光轴以45度夹角交错放置；楔形结构将两片具有约3度楔角的楔形石英晶体组合，两片楔形石英晶体的光轴夹角为45度。线偏振光经过两片双折射晶体，光的偏振态随空间位置不同而变化，产生不同偏振状态的椭圆和线偏振光。两片双折射晶体组合的结构形式导致器件制备工艺复杂，器件尺寸较大。双折射晶体退偏器针对宽带光源才有较好退偏效果，入射光斑尺寸要求大于6mm，此外，光楔结构还要求入射光的偏振方向与退偏器光轴成45度放置。其他一些传统退偏器大多是基于Lyot结构的改进设计，包括两片或者更多的光学元件，结构更加复杂，虽然会降低对入射光带宽或者光斑尺寸的限制，但也会造成光束偏移等不良影响。上述限制严重制约了退偏器的应用。
[0005]液晶退偏器是由光学各向异性的液晶分子组成，液晶分子指向随机分布，大量液晶分子排列成阵列组成退偏器。单色光源的线偏振光通过液晶退偏器后，偏振态将随空间变化；宽带光源的线偏振光通过退偏器后，偏振态将随空间和波长变化，从而将线偏振光转换为非偏振光，降低光的偏振度。液晶退偏器需要控制不同微区的曝光，改变每个区域液晶分子取向，制备工艺复杂。根据专利CN105404056所述的液晶退偏器输出光的偏振度最小约为5％，偏振度仍然较大。
[0006]纤维素纳米晶是一种微纳米棒状结构，长度数微米到几十微米，直径数百纳米。如文献“Carboxylated Cellulose Nanocrystals for Depolarization Films”(ACS Applied Polymer Materials，2022，4,5,3811
‑
3819)所描述的纤维素纳米晶具有各向异性的光学响应，采用随机取向的纤维素纳米晶组成退偏器能够对可见光波段的单色光退偏，透射光偏振度最小可达4％，但透射率不超过80％。
[0007]超表面退偏器是将微纳结构粒子以随机旋转角度分布在基底上，形成单元阵列。专利CN110927993中组成退偏器的微纳结构粒子旋转角度为随机分布，这导致部分相邻粒子的旋转角度差异大，因此这些相邻粒子对于入射光响应差别大，相邻粒子相互干扰作用增强，这种排列方式会导致退偏器的偏振度高和透射效率低，限制了退偏器性能。
技术实现思路
[0008]为了克服现有设计的超表面退偏器透射光效率低和偏振度高的问题，本专利技术提出一种基于微纳结构粒子的光学退偏器，组成光学退偏器的微纳结构粒子旋转角度递增或递减排列，用于将线偏振光调制为非偏振光。与微纳结构粒子旋转角度随机分布的超表面退偏器相比，本专利技术的光学退偏器具有透射率更高，透射光偏振度更低的效果。
[0009]本专利技术的技术方案是：
[0010]一种基于微纳结构粒子的光学退偏器，该光学退偏器包括衬底和制备在衬底上的微纳结构粒子单元。
[0011]所述光学退偏器包括至少一个单元，相同或者不同单元按照周期或准周期方式组成阵列。
[0012]所述单元由微纳结构粒子组成。
[0013]所述微纳结构粒子具有相互正交的长轴和短轴，且微纳结构粒子调制出射光的正交分量相位差取值范围为90～270度。
[0014]所述微纳结构粒子长轴或短轴与入射光电场分量振动方向夹角定义为旋转角度θ，角度取值范围为Q
×
(0～360)度，Q为整数，超过0～360度的角度值是0～360度范围内角度的重复结果。
[0015]取Q为1，旋转角度取值范围为0～360度，将0～360度范围的角度等分为Δ个角度数，每个角度取值为A
×
360/Δ，A为0，1，2
…
Δ，Δ为正整数。组成退偏器其中一个单元的微纳结构粒子排列为N
×
M矩阵，这个单元内的微纳结构粒子旋转角度从A
×
360/Δ中取值，每个角度取值概率相同，每个角度对应的微纳结构粒子数目可以为零、一个或者多个，每个微纳结构粒子可以为单个粒子，也可以为旋转角度相同的多个粒子组成阵列。在每个单元内，沿着行和列两个方向，按照相邻微纳结构粒子的旋转角度线性或非线性的方式递增或者递减排列。
[0016]所述光学退偏器尺寸根据微纳结构粒子数量以及单元数量不同而改变，光学退偏器尺寸可以从微米到分米量级变化。
[0017]所述微纳结构粒子旋转角度递增或递减量绝对值的大小对透射光偏振度以及透射率有影响，其中绝对值减小，透射光的偏振度降低，透射率提高。当递增或递减量的绝对值接近零，此时透射率接近最大。
[0018]所述微纳结构粒子的具体形状包括但不限于椭圆柱、长方体、V形、以及其他结构形式。
[0019]所述微纳结构粒子尺寸小于λ，相邻微纳结构粒子间距小于λ，其中λ为波长。
[0020]所述微纳结构粒子的材料包括但不限于，硅、二氧化钛以及氮化硅等低损耗及无损耗的电介质材料。
[0021]所述衬底采用光学波段透射或反射材料，具体为玻璃、蓝宝石、硅、金、银等。
[0022]所述光学退偏器工作在透射模式或在反射模式下。
[0023]所述光学退偏器在透射模式工作状态下，微纳结构粒子长轴和短轴所对应的透射光相位差取值范围为90～270度；在反射模式工作状态下，微纳结构粒子长轴和短轴所对应的反射光相位差取值范围为90～270度。
[0024]与现有微纳结构粒子旋转角度随机分布的超表面退偏器相比，本专利技术具有以下有
益效果：
[0025](1)提高透射率。本专利技术采取相邻微纳结构粒子旋转角度递增或递减方式排列，相比于旋转角度随机分布的排列方式，对于整个退偏器，本专利技术的排列方式可以减小相邻微纳结构粒子旋转角度差的绝对值之和。因此，在线偏振入射光作用下，相邻粒子的光学响应差异减小，相邻粒子由于旋转角度不同而产生的光学响应差异所引起的相互干扰减小。有利于提高退偏器透射率，退偏器平均透射率超过95％。
[0026](2)降低透射光偏振度。如有益效果(1)描述的微纳结构粒子旋转角度排列方式，对于整个光学退偏器，降低了相邻微纳结构粒子旋转角度变化带来的相互干扰。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于微纳结构粒子的光学退偏器，其特征在于：光学退偏器由衬底(1)和单元阵列(4)组成；所述衬底(1)上设有单元阵列(4)；所述单元阵列(4)由至少一个单元(2)组成；所述单元(2)由多个微纳结构粒子(3)组成；所述微纳结构粒子(3)具有相互正交的长轴和短轴，微纳结构粒子(3)长轴或短轴与入射光电场分量振动方向夹角为微纳结构粒子(3)旋转角度；所述微纳结构粒子(3)为单个粒子(3
‑
1)，或者多个相同旋转角度的微纳结构粒子(3
‑
2)组成的阵列；所述单元(2)内，相邻微纳结构粒子(3)旋转角度按照有序变化排列。2.根据权利要求1所述的光学退偏器，其特征在于，在所述单元(2)内，沿着行或列方向，相邻微纳结构粒子(3)旋转角度有序变化方式为线性递增或递减排列。3.根据权利要求1所述的光学退偏器，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：黎永前，余洋，乔大勇，
申请(专利权)人：西北工业大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：
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