一种反射式空间光束偏振分布调控器件专利检索- 用于控制光的强度颜色相位偏振或方向的器件或装置例如转换选通调制或解调上述器件或装置的光学操作是通过改变器件或装置的介质的光学性质来修改的;用于上述操作的技术或工艺;变频;非线性光学;光学逻辑元件;光学模拟/数字转换器专利检索查询-专利查询网

一种反射式空间光束偏振分布调控器件
申请号	CN201710649318.6	申请日	2017-08-01	公开(公告)号	CN107357054A	公开(公告)日	2017-11-17
申请人	中国科学院半导体研究所;			发明人	韦欣; 胡晓斌; 宋国峰; 李健;
摘要	本发明提供了一种反射式空间光束偏振分布调控器件。利用介质层来分离金属反射层与金属天线层，使金属反射层与金属天线层形成具有偏振旋转功能的谐振腔，用于对入射空间光束产生偏振分布调控，使入射光的偏振旋转角度可以为0°到360°之间的任意值，且谐振腔的工作带宽较宽；利用不同金属天线对应的偏振旋转角度不同，通过控制金属天线层中不同金属天线的空间分布，将入射空间光束偏振分布转换为预设的分布形式；本发明器件结构的有效器件厚度小于工作波长，易于集成化；利用金属天线层与介质层、金属反射层形成的谐振腔的工作带宽更宽，转换效率更高，且器件可适用的工作波段可以在可见光到微波范围内进行灵活设计。
权利要求	1.一种反射式空间光束偏振分布调控器件，包括：衬底、金属反射层、介质层和金属天线层；所述金属反射层，形成于衬底之上，用于将入射到金属反射层上的光完全反射；所述介质层，形成于金属反射层之上，介质层在入射光的工作波段透明，用于隔离所述金属反射层和金属天线层；所述金属天线层，形成于介质层之上，用于旋转入射光的偏振方向；其中，金属天线层、介质层、金属反射层之间构成反射式谐振腔，用于对入射光束进行空间偏振分布变换。 2.如权利要求1所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，所述金属反射层为厚度为100nm以上的金属膜。 3.如权利要求1所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，所述金属天线层为金属天线构成的周期性阵列。 4.如权利要求3所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，所述金属天线的形状关于入射光偏振方向及与入射光偏振正交的方向不对称，用于对入射光产生偏振旋转。 5.如权利要求3或4所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，所述反射式谐振腔用于将入射光转换成径向偏振矢量光束或角向偏振矢量光束。 6.如权利要求3或4所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，反射式空间光束偏振分布调控器件被分成N块区域，每块区域的偏振旋转角度为0°到360°之间的任意值。 7.如权利要求6所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，偏振旋转角度不同的区域的金属天线形状互不相同，不同形状的金属天线的周期性阵列与介质层、金属反射层组成的反射式谐振腔对入射光束的偏振旋转角度不同。 8.如权利要求1所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，介质层的材料为二氧化硅、厚度为300nm。 9.如权利要求1所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，其工作波长由可见光到微波波段。 10.如权利要求1至9任一项权利要求所述的反射式空间光束偏振分布调控器件，其特征在于，反射式空间光束偏振分布调控器件的转换效率为90％以上的。
说明书全文	一种反射式空间光束偏振分布调控器件技术领域 [0001] 本发明涉及调控器件领域，具体涉及一种反射式空间光束偏振分布调控器件。背景技术 [0002] 空间光束偏振分布调控在光通信、光束聚焦、粒子加速、光学捕获与操控、图像加密、表面等离子体激发、激光金属切割、非线性光学等领域有着广泛的潜在应用。 [0003] 传统的空间光束偏振分布调控方法包括空间光调制、干涉以及随空间变化的亚波长光栅。这类传统方法可以获得具有各种偏振分布的空间光束，但是其复杂的产生方式却无法适应集成化的应用需求。近些年来兴起的光学超表面已经被成功地用于光束偏振调控。超表面亚波长尺度的有效器件厚度使得其在集成化上具有很大的优势。但是目前大多数基于超表面的光束偏振分布调控器件无法同时有效地调控光束的相位与偏振，也就无法获得0到360°的任意空间偏振分布，因而其偏振分布调控能力受限。利用多层金属结构进行相位调控的同时结合圆偏入射光与选择性偏振过滤可以同时实现对相位与偏振的协同调控，但是方向选择性偏振过滤致使调控效率在50％以下，而且多层结构较为复杂、难于制备。 [0004] 因而，如何提供一种偏振分布调控器件，使其同时具备偏振旋转角度大、调控效率高、工作波段宽、结构简单且易于集成化的特点，是该领域技术人员所面临的技术难题。发明内容 [0005] (一)要解决的技术问题 [0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种反射式空间光束偏振分布调控器件，同时具有偏振旋转角度大、调控效率高、工作波段宽、结构简单且易于集成化的优点。 [0007] (二)技术方案 [0008] 本发明提供了一种反射式空间光束偏振分布调控器件，包括：衬底、金属反射层、介质层和金属天线层； [0009] 所述金属反射层，形成于衬底之上，用于将入射到金属反射层上的光完全反射； [0010] 所述介质层，形成于金属反射层之上，介质层在入射光的工作波段透明，用于隔离所述金属反射层和金属天线层； [0011] 所述金属天线层，形成于介质层之上，用于旋转入射光的偏振方向； [0012] 其中，金属天线层、介质层、金属反射层之间构成反射式谐振腔，用于对入射光束进行空间偏振分布变换。 [0013] 在本发明的一些实施例中，所述金属反射层为厚度为100nm以上的金属膜。 [0014] 在本发明的一些实施例中，所述金属天线层为金属天线构成的周期性阵列。 [0015] 在本发明的一些实施例中，所述金属天线的形状关于入射光偏振方向及与入射光偏振正交的方向不对称，用于对入射光产生偏振旋转。 [0016] 在本发明的一些实施例中，所述反射式谐振腔用于将入射光转换成径向偏振矢量光束或角向偏振矢量光束。 [0017] 在本发明的一些实施例中，反射式空间光束偏振分布调控器件被分成N块区域，每块区域的偏振旋转角度为0°到360°之间的任意值。 [0018] 在本发明的一些实施例中，偏振旋转角度不同的区域的金属天线形状互不相同，不同形状的金属天线的周期性阵列与介质层、金属反射层组成的反射式谐振腔对入射光束的偏振旋转角度不同。 [0019] 在本发明的一些实施例中，介质层的材料为二氧化硅、厚度为300nm。 [0020] 在本发明的一些实施例中，其工作波长由可见光到微波波段。 [0021] 在本发明的一些实施例中，反射式空间光束偏振分布调控器件的转换效率为90％以上的。 [0022] (三)有益效果 [0023] 从上述技术方案可以看出，本发明所提供的反射式空间光束偏振分布调控器件具有以下有益效果至少其中之一： [0024] 1、本发明对入射光的偏振旋转角度可以为0°到360°之间的任意值； [0025] 2、本发明中金属反射层足够厚，入射光被完全反射，没有透射损失，只有少部分光被材料吸收，因而效率远高于偏振过滤式矢量光生成器件； [0026] 3、本发明利用金属天线层与介质层、金属反射层形成的谐振腔的工作带宽更宽，使器件的工作波段可灵活调节，工作波段在可见光到微波波段可进行灵活的设计； [0027] 4、本发明提出的器件结构的有效器件厚度小于工作波长，便于集成化，且较已有的多层金属结构更简单，更易于制备。附图说明 [0028] 图1为本发明实施例的反射式空间光束偏振分布调控器件的剖面结构示意图； [0029] 图2为本发明实施例反射式空间光束偏振分布调控器件的俯视图； [0030] 图3为图2、图5所示标号为5、6、7、8、9、10区域的金属天线结构示意图，其中： [0031] (a)为对应于区域5中金属天线结构； [0032] (b)为对应于区域6中金属天线结构； [0033] (c)为对应于区域7中金属天线结构； [0034] (d)为对应于区域8中金属天线结构； [0035] (e)为对应于区域9中金属天线结构； [0036] (f)为对应于区域10中金属天线结构； [0037] 图4为图2中区域5到区域10与入射光反射率的关系图； [0038] 图5为本发明另一实施例反射式空间光束偏振分布调控器件的俯视图。 [0039] 【符号说明】 [0040] 1-衬底；2-金属反射层；3-介质层；4-金属天线层；5、6、7、8、9、10-金属天线层的区域； [0041] z-器件垂直方向；x、y-器件水平方向。具体实施方式 [0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。 [0043] 本发明实施例提供了一种反射式空间光束偏振分布调控器件。如图1所示，图1为本发明实施例提供的反射式空间光束偏振分布调控器件的剖面结构示意图，该器件包括衬底1、金属反射层2、介质层3、金属天线层4。 [0044] 衬底1置于最下层，为具备偏振调控功能的金属反射层2、介质层3、金属天线层4提供支撑；金属反射层2足够厚，形成于衬底1之上，以保证对波长在工作波段的入射光无透射；介质层3形成于金属反射层2之上，介质层3的材料在工作波段透明，用以将金属反射层2与金属天线层4隔离，并形成反射式谐振腔；金属天线层4形成于介质层3上，为金属天线的周期性阵列，金属天线层4具备偏振旋转与相位调控功能，当金属天线的形状关于入射光偏振方向及与入射光偏振正交的方向不对称，金属天线具备了光学活性，能够对入射光产生偏振旋转。 [0045] 金属天线层、介质层、金属反射层构成具有偏振旋转功能的反射式谐振腔，对入射光束进行空间偏振分布变换。入射线偏振光被反射后仍保持为线偏振光，但是偏振方向发生旋转。 [0046] 金属天线层由不同金属天线以周期性阵列的方式组成，不同金属天线的周期性阵列与介质层、金属反射层组成的反射式谐振腔对入射线偏振光的偏振旋转角度不同。通过调节金属天线的结构或者排列方式，相同的入射线偏振光的偏振方向能被旋转至不同的角度，从而能够实现0到360度的任意角度旋光。 [0047] 本发明按照预定偏振调控需求，在金属天线层上不同区域排布金属天线周期性阵列，其与介质层、金属反射层组成的反射式谐振腔能够实现相应偏振旋转，从而使不同区域反射光的偏振方向达到预定要求，实现对空间光束的偏振分布调控。 [0048] 本实施例的反射式空间光束偏振分布调控器件用来将入射线偏振光束转换成严格的径向偏振矢量光束。该器件的金属反射层2的材料为银、厚度为100nm，介质层3的材料为二氧化硅、厚度为300nm，金属天线层4的材料为银、厚度为50nm，器件工作波长为2.5μm。 [0049] 该器件的俯视结构说明图如图2所示。本实施例中由于金属天线层由6个不同的周期性阵列构成，不同的周期性阵列与介质层、金属反射层所组成的反射式谐振腔对入射线偏振光的偏振旋转角度不同，因此把器件分成6块区域，每块区域偏振旋转角度步幅为60度，分别为区域5、区域6、区域7、区域8、区域9、区域10。但这只是示例性说明，器件的区域并非仅限定为6块，可以是多块，。每个区域的周期性阵列由不同的金属天线组成，因此不同的区域实现不同的偏振旋转角度。每块区域的偏振旋转角度步幅亦并非限定为60度，每块区域的偏振旋转角度可以为0°到360°之间的任意值。入射线偏振光偏振方向沿着图中x坐标轴方向，入射线偏振光由金属天线层上方入射到金属天线层。各区域中箭头指向表示该区域反射光的偏振方向。各区域金属天线形成的周期性阵列均为矩形阵列，周期均为800nm。各周期性阵列的金属天线的结构如图3所示，其中： [0050] 区域5用以实现0度旋转，区域5的金属天线如图3(a)所示为正方形，该金属天线长l5、宽w5均为300nm； [0051] 区域6用以实现60度旋转，区域6的金属天线如图3(b)所示为L形，开口方向为右上，该金属天线结构参数如图中标注：长度l6＝390nm、长度w6＝500nm、长度t＝120nm； [0052] 区域7用以实现120度旋转，区域7的金属天线如图3(c)所示为L形，开口方向为左下，该金属天线结构参数如图中标注：长度l7＝500nm、长度w7＝380nm、长度t＝120nm； [0053] 区域8用以实现180度旋转，区域8的金属天线如图3(d)所示为矩形，长边沿着x轴的方向，该金属天线长为l8＝650nm、宽为w8＝300nm，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(a)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为180度； [0054] 区域9用以实现240度旋转，区域9的金属天线如图3(e)所示为L形，开口方向为右下，该金属天线由图3(b)中金属天线顺时针旋转90度得到，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(b)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为240度； [0055] 区域10用以实现300度旋转，区域10的金属天线如图3(f)所示，开口方向为右下，该金属天线由图3(c)中金属天线逆时针旋转90度得到，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(c)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为300度； [0056] 利用有限元方法计算得到各区域的反射率如图4所示。六个不同区域的平均反射率在90％以上。因而该器件可以实现90％以上的转换效率，该效率远高于偏振过滤器件的50％的最高理论效率。 [0057] 本发明另一实施例的反射式空间光束偏振分布调控器件，可以用来将入射线偏振光束转换成严格的角向偏振矢量光束。该器件的金属反射层2的材料为银、厚度为100nm，介质层3的材料为二氧化硅、厚度为300nm，金属天线层4的材料为银、厚度为50nm，器件工作波长为2.5μm。 [0058] 该器件的俯视结构说明图如图5所示。与上一实施例相同，本实施例中器件仍然是由区域5、区域6、区域7、区域8、区域9、区域10共6块不同区域构成。构成每个区域的金属天线周期性阵列的结构也与上一实施例相同。通过把各区域重新排布于不同的空间位置可以实现不同的偏振方向分布的矢量光束。本实施例中通过按照图5所示的排列方式可以实现将入射线偏振光变换成角向偏振的矢量光束。其中，各区域中箭头指向表示该区域反射光的偏振方向。各区域周期性阵列均为金属天线形成的矩形阵列，周期均为800nm。各周期性阵列的金属天线的结构如图3所示。其中： [0059] 区域5用以实现0度旋转，区域5的金属天线如图3(a)所示为正方形，该金属天线长l5、宽w5均为300nm； [0060] 区域6用以实现60度旋转，区域6的金属天线如图3(b)所示为L形，开口方向为右上，该金属天线结构参数如图中标注：长度l6＝390nm、长度w6＝500nm、长度t＝120nm； [0061] 区域7用以实现120度旋转，区域7的金属天线如图3(c)所示为L形，开口方向为左下，该金属天线结构参数如图中标注：长度l7＝500nm、长度w7＝380nm、长度t＝120nm； [0062] 区域8用以实现180度旋转，区域8的金属天线如图3(d)所示为矩形，长边沿着x轴的方向，该金属天线长为l8＝650nm、宽为w8＝300nm，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(a)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为180度； [0063] 区域9用以实现240度旋转，区域9的金属天线如图3(e)所示为L形，开口方向为右下，该金属天线由图3(b)中金属天线顺时针旋转90度得到，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(b)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为240度； [0064] 区域10用以实现300度旋转，区域10的金属天线如图3(f)所示，开口方向为右下，该金属天线由图3(c)中天线逆时针旋转90度得到，该金属天线对应的反射光偏振方向与图3(c)中金属天线对应的反射光偏振方向相同，但是反射光相位相差180度，所以瞬时偏振方向相反，表示为300度； [0065] 以上以入射线偏振光为例对本发明进行了说明，但本发明并不限于此，本发明的反射式空间光束偏振分布调控器件可以对包括线偏振光在内的各种偏振光进行调控。 [0066] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的一种反射式空间光束偏振分布调控器件有了清楚的认识。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。 [0067] 综上所述，本发明提供一种反射式空间光束偏振分布调控器件，具有偏振旋转角度大、调控效率高、转换效率高、工作波段宽且器件结构简单紧凑易于集成化的优点。 [0068] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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