基于超构光栅的多功能高效分束器

1.本实用新型属于光束传输技术领域，具体涉及一种基于超构光栅的多功能高效分束器。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于超构光栅的多功能高效分束器。
7.为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：
8.一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。
9.一实施例中，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。
10.一实施例中，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wi，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。
11.一实施例中，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，βi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，εm为介质层的介电常数；
[0014]
第i个空气狭缝的相位延迟φi为：
[0015]
φi＝βi*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εm＝-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θi∈(-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]
k0sinθi＝k0sinθ
t
+ng；
[0022]
其中，为相位梯度，θi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]
本实用新型具有以下有益效果：
[0028]
本实用新型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技术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技术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为本实用新型基于超构光栅的多功能高效分束器的结构示意图；
[0031]
图2为本实用新型一实施例中相位延迟φi与空气狭缝宽度wi的对应关系曲线图；
[0032]
图3a为本实用新型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为本实用新型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为本实用新型一实施例中横向磁偏振光(tm)的磁场模拟图；
[0035]
图3d为本实用新型一实施例中横向电偏振光(te)的磁场模拟图；
[0036]
图4a为本实用新型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为本实用新型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为本实用新型一实施例中入射角θi＝-30
°
时横向电偏振光(te)的频率响应曲线图；
[0039]
图4d为本实用新型一实施例中入射角θi＝-30
°
时横向磁偏振光(tm)的频率响应曲线图；
[0040]
图5a为本实用新型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为本实用新型一实施例中不同厚度下入射角与r0级衍射效率的曲线图；
[0042]
图5c为本实用新型一实施例中吸收效率与厚度的关系曲线图；
[0043]
图5d为本实用新型一实施例中入射角θi＝-30
°
时的磁场模拟图。
具体实施方式
[0044]
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0045]
基于pgm的概念，通过探索和操纵其衍射特性，本实用新型设计了一种在光学区域工作的基于pgm的多功能分束器(lbs)。众所周知，pgms是具有超单元的周期光栅，超单元包含具有不同光学响应的m个单元，这些单元离散地引入完全覆盖2π的突变相移(aps)。引入的aps产生相位梯度(即附加波矢量)，其改变了发生在界面处的光的反射和折射的基本定律。衍射效应在pgms中普遍存在，高阶衍射由奇偶依赖衍射定律描述。因此，自由控制pgm中的衍射效应及其效率是提高包括分束器在内的pgm基器件性能的关键。
[0046]
本实用新型的lbs是一种纯等离激元pgm，通过调整空气狭缝的宽度来引入沿传输界面所需的aps，空气狭缝决定了通过它的表面等离激元的传播波矢量。经过证明，所设计的lbs可以同时实现能量和偏振的高效光束分裂，并且具有宽带和广角响应。例如，当横向电偏振光(te)和横向磁偏振光(tm)以θi＝-30
°
的入射角同时入射时，lbs可以使横向电偏振光(te)完全反射，反射角为θr＝-30
°
，即发生完美的镜面反射；而对于横向磁偏振光(tm)，由于pgm中的衍射效应，在lbs中可以看到衍射阶数最低的高效负折射，并且折射角为θ
t
＝30
°
。通过这种方式，可以获得偏振分裂。此外，金属的欧姆损耗在决定tm偏振的反射侧和透射侧各衍射级的衍射效率方面起着重要作用。有了这些物理原理，lbs还可以将tm偏振的入射能量均匀地传递到反射侧和折射侧。本实用新型对基于pgm的lbs的研究具有基础性意义，所提出的设计在集成光通信或光测量等领域显示出巨大的应用潜力。
[0047]
本实用新型一具体实施例中基于超构光栅的多功能高效分束器(lbs)，分束器包括若干周期性分布的超构光栅，单个周期超构光栅的结构参图1所示，超构光栅包括若干间隔分布的介质层10，介质层10之间形成有多个空气狭缝20，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。
[0048]
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(te)和横向磁偏振光(tm)，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。
[0049]
其中，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wi，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，且wi具有亚波长尺寸，满足wi《《λ。
[0050]
具体地，本实施例中超构光栅包括5个空气狭缝，宽度分别为w1、w2、w3、w4、w5，介质层的材料为金属银。
[0051]
横向磁偏振光在空气狭缝中仅存在基本模式，且满足：
[0052][0053]
其中，βi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，εm为介质层的介电常数；
[0054]
当入射光束通过第i个空气狭缝并到达传输界面时，总的相位延迟φi为：
[0055]
φi＝βi*d-δ；
[0056]
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，对于所有的空气狭缝，δ的值均相同。
[0057]
根据pgm的概念，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。因此，通过调整每个空气狭缝的宽度wi，可以离散地实现所需的相移。
[0058]
本实施例中，设置入射光束的波长λ＝650nm，介质层的介电常数εm＝-17.36+0.715i，超构光栅包括5个空气狭缝(即m＝5)，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＝1.5λ，相位延迟φi与空气狭缝宽度wi的对应关系如图2所示，为了保证相邻空气狭缝之间的相位差δφ相等，本实施例中空气狭缝的宽度分别为w1＝120nm、w2＝68nm、w3＝46nm、w4＝34nm、w5＝27nm。
[0059]
横向磁偏振光入射时，在透射侧会引入一个相位梯度它将控制出射光的方向。入射角和反射角满足：
[0060]
k0sinθi＝k0sinθ
t
+ng；
[0061]
其中，为相位梯度，θi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，n＝v-1，且ζ＝g。
[0062]
v＝0(即n＝-1)为横向磁偏振光的最低衍射级次，它预测了出现高阶衍射的临界角θi＝0
°
。当入射角小于临界角时(θi＜0
°
)，折射光遵循n＝-1的衍射级次；当入射角大于临界角时(θi＞0
°
)，折射光遵循n＝1的衍射级次。
[0063]
另一方面，对于横向电偏振光，由于亚波长空气狭缝的存在，它将被超构光栅完全反射。
[0064]
接下来分析入射光束如何在超构光栅中实现偏振分裂。
[0065]
图3a为横向磁偏振光(tm)的入射角和每个衍射级的衍射效率之间的关系。当θi＜0
°
时，最低衍射级的透射占主导地位(即n＝-1)，入射角θi＝30
°
时，透射效率约为70％。当θi＞0
°
时，衍射主要由高阶n＝1的反射控制，这是由于m(此处m＝5)的奇偶校验造成的，入射光将有效地耦合到n＝1阶的反射光，这意味着在这种情况下会发生反向反射，特别是入射角θi＝30
°
时，θr＝-30
°
，r-1
≈40％。在高阶衍射中，更多的耗散或更低的衍射效率是由光栅内部的多次反射引起的。
[0066]
图3b为横向电偏振光(te)的入射角和每个衍射级的衍射效率之间的关系。只有n＝0阶的反射是左反射且占主导地位，这是由于亚波长空气狭缝远低于te通过的截止频率。对于te入射光束会发生镜面反射，θi＝θr。当入射角θi＝30
°
时，反射效率为r0＝96％。
[0067]
图3c和图3d分别为横向磁偏振光(tm)和横向电偏振光(te)的磁场模拟图，可见，tm发生高效负折射，te出现完美反射，因此，本实用新型的超构光栅可以实现高效的偏振分束。
[0068]
消光比通常是评价偏振分束器性能的一个重要参数，消光比分为反射消光比er
te
和透射消光比er
tm
，即：
[0069][0070]
反射消光比er
te
是指横向电偏振光(te)与横向磁偏振光(tm)的反射效率之比，透射消光比er
tm
是指横向磁偏振光(tm)与横向电偏振光(te)的透射效率之比。
[0071]
图4a为本实施例中反射消光比er
te
和入射角之间的关系，当入射角θi∈(-74
°
,-7
°
)时，反射消光比er
te
都在10db以上，而当θi＝-62
°
时，反射消光比er
te
最高，达到18db。图4b为本实施例中透射消光比er
te
和入射角之间的关系，在整个角度范围内，透射消光比er
tm
相对较高(er
te
》130db)。通常，当入射角θi∈(-74
°
,-7
°
)时，反射消光比er
te
和透射消光比er
tm
均大于10db，该器件被认为具有良好的偏振分束效果。因此，本实用新型中的超构光栅具有广角响应特性。
[0072]
另外，图4c和图4d分别本实施例中入射角θi＝-30
°
的频率响应曲线，尽管上述实施例中的波长λ以650nm为例进行说明，但由于pgm设计中的公差，其仍然具有偏振分裂的宽带响应。er
te
》10db时，带宽约为78nm，波长λ为590nm～668nm，其中er
tm
大于132db。
[0073]
此外，本实施例中的超构光栅还可以实现仅横向磁偏振光(tm)的能量分裂，参图3a或图3c所示，入射能量分为三部分，分别对应于r0、t0和t-1
级衍射。由于两个金属结构本身的损耗和穿过空气狭缝的表面等离激元之间的相互作用，通过控制光栅的厚度可以控制能量分裂，从而确定每个衍射级次的衍射效率。图5a及图5b分别为不同厚度下入射角与t-1
和r0级衍射效率的曲线图，厚度分别为d＝0.6λ、d＝λ、d＝1.5λ、d＝2.4λ，在上述情况下，相位梯度保持不变。随着厚度的变化，传播常数βi(w)随之变化以获得不变的aps(即φi＝βi(w)d-δ)，这可以通过选择合适的空气狭缝宽度来满足。如图5a、5b所示，随着d从0.6λ增加到2.4λ，t-1
级衍射效率先增加后降低，r0级衍射效率逐渐降低。
[0074]
参图5c所示，整个结构的吸收效率随着厚度的增加而逐渐增加，这是因为厚度的减小将缩小空气狭缝的宽度，并且光栅中金属的占空比将相应增加，这将导致透射降低和反射增加。但是，另一方面，厚度不能太大。这是因为当入射光束在空气狭缝中传播时，厚度的增加将导致更多的损失，因此吸收效率将增加，相应的传输效率将降低，因此，由于损耗存在传输的临界厚度。当d＝0.6λ且θi＝-30
°
时，n＝1阶的传输效率几乎等于n＝0阶的反射效率，其分别为43％和39％。图5d为相应的磁场模拟图，可以清楚地看到，入射光分为两束(反射光和透射光)，两束光呈直线。因此，所设计的光栅可以实现多种分光功能。
[0075]
由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：
[0076]
本实用新型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。
[0077]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新
型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0078]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。