基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁波偏振检测技术领域，具体涉及一种电磁波偏振检测装置。
【背景技术】
[0002] 常规材料是由分子或原子构成的，分子和原子对外界电磁波的响应决定了整个材 料的电磁性质。电磁特异介质的思想就是通过精也设计某种人工的"分子和原子"，通常称 之为特异介质单元，将其W某种宏观序的形式排列成(二维或H维）阵列，便能得到特定电 磁波调制功能的"表面"或者"晶体"。电磁特异介质大大扩展人们调制电磁波的自由度，具 有广泛的应用前景。
[0003] 梯度电磁特异介质超表面（Gradient Meta-su计ace)是指将各种结构参数不同的 特异介质单元排列成二维阵列，其中特异介质单元对外界电磁波的反射或透射相位呈线性 梯度变化。在超表面上光子满足线动量守恒，即入射波与散射波之间满足广义斯涅耳定律 (General Snell Laws),散射波在相位梯度方向获得一个附加的线动量。如果相位梯度足 够大，则入射波会转化为表面波。梯度电磁特异介质超表面具有广泛的应用前景，特别是电 磁波的传播模式和表面模式之间转换禪合器。但是，该种梯度电磁特异介质超表面在正常 工作状态下，其调制作用不会改变入射波的偏振状态；另外，每一个特异介质单元的结构参 数不一样，设计的工作量较大，制作工艺误差而导致反射相位不完美的情况也是时常会出 现的。
[0004] 几何贝尔相位（Geometry Berry化ase)启发我们：不需要调整特异介质单元的结 构常数，仅仅通过转动特异介质单元的主轴就可W调制反射相位和透射相位，并且保持反 射率和透射率模值不变。几何贝尔相位的应用大大减少了设计梯度电磁特异介质超表面的 工作量和工艺误差带来影响，同时也突破了纯相位调制型器件在传统设计中的瓶颈，给纯 相位调制型器件的设计带来机遇。
[0005] 另一方面，传统的电磁波偏振检测是通过用线极化卿趴放置在待检测的光路中测 量两个垂直方向的电磁波模值和相位。如果光路空间不足W放入巨大的线卿趴，则该种直 接检测将遇到困难。为了解决光路空间不足的问题，有一种间接测量方法是通过镜面或者 半反片将待检测电磁波"引出"，再用线极化卿趴测量。但是，镜面或者半反片的反射会破坏 待检测电磁波的偏振状态，因为S波和P波的反射率不一样。除此之外，传统的光学偏振检 测最致命的缺点是；用线极化卿趴测量两个垂直方向的电磁波模值和相位实际上是一个二 次测量问题，即测量另一个垂直方向的时候，需要转动卿趴口，该个转动过程会破坏之前的 校准，给系统带来误差和不稳定的问题。如何设计一种全新的检测方法能精确地(误差小， 稳定好）测量电磁波偏振状态，是实验工作者迫切想要解决的技术性难题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种检测精度高，检测稳定好的电磁波偏振状态检测装 置，用于检测任意偏振的待检测入射电磁波的偏振状态。
[0007] 本发明提供的电磁波偏振状态检测装置，电磁波偏振检测装置由摘要附图所示。 包括H个模块：分别是入射模块，散射模块和接收模块；其中： 所述入射模块是由网格分析仪、发射卿趴和光路系统中的各种光学元件构成。网格分 析仪内置时域口技术，能W脉冲形式将标准的电信号输入到发射卿趴，发射卿趴作为电磁 波激化源头扇出电磁波，电磁波经过光路系统中的各种光学元件调制，改变其原来的偏振 状态，该时的电磁波的偏振状态有待检测，由入射模块输出； 所述散射模块是由一张"旋转结构"电磁特异介质超表面的印刷电路板（Printed Circuit Board)构成，具体为由特异介质单元W某种宏观序周期性地排列而成的二维阵 列；其中，每一个特异介质单元都绕-轴转动一定角度，该转动角度沿X方向线性增大，每 一个特异介质单元都能产生局域的几何贝尔相位，即每一个局域的附加反射相位由局域的 特异介质单元的主轴转动角度决定；特异介质单元的底部为金属背景，仔细设计特异介质 单元，可使电磁特异介质超表面在工作频段中产生效率近似100%的反射式光子自旋霍尔 效应，左旋和右旋圆偏振光感受到的局域几何贝尔相位相差一个符号，也就是说左旋和右 旋圆偏振光在"旋转结构"电磁特异介质超表面感受的几何贝尔相位梯度强度相同但方向 相反，按照光子线动量守恒，左旋和右旋圆偏振光将被散射到两个相反的方向上。
[0008] 散射模块的作用是通过"旋转结构"电磁特异介质超表面的高效光子自旋霍尔效 应，将待检测电磁波完美地分解成左旋和右旋圆偏振光，并且往两个不同的方向散射。
[0009] 为了提高实验精度，入射模块应开启网格分析仪的时域口，使得电磁波在光路系 统中W波包形式传输，避免检测装置内部形成电磁驻波而带来干扰。入射模块输出的待检 测电磁波应垂直入射到散射模块的"旋转结构"电磁特异介质超表面，如果采用斜入射形 式，则要尽量保证被"旋转结构"电磁特异介质超表面散射到两边的左旋和右旋圆偏振光两 者仍然为传播模式。入射模块输出的待检测电磁波最好是平面波；如果是高斯光束，则其束 腰平面应与"旋转结构"电磁特异介质超表面重合，使电磁波充分感受到"旋转结构"电磁 特异介质超表面的局域几何贝尔相位的调制。
[0010] 所述接收模块是由两侧的左旋和右旋圆极化卿趴，W及与之相连接的网格分析仪 构成。左旋和右旋两个圆极化卿趴的作用是对两个方向散射的左旋和右旋圆偏振光收集并 转化为相应的电信号，电信号接入到网格分析仪中分析和测量。
[0011] 需要注意的事项是，左旋(右旋）圆极化卿趴对称轴应与左旋(右旋）圆偏振光传播 方向平行，卿趴口置于电磁场强度最大的地方。在测量过程中，固定并保持圆极化卿趴与 "旋转结构"电磁特异介质超表面的距离不变。在检测实验之前，左旋和右旋圆极化卿趴需 要应用标准入射波入射分别作校准。网格分析仪把校准实验和检测实验测量到的模值和相 位信息作完整地记录和保存。将校准实验和检测实验中测量得到的模值结果和相位结果作 反推，便得到待检测电磁波的偏振状态。
[0012] 本发明偏振检测装置的工作频率为/ = 10?MGHz，通过电磁标度定律，等比例 缩放或重新设计特异介质单元的结构参数，便可W将工作频率推广到任何频率范围，可W 作为微波波段，太赫兹波段和光波波段等领域新一代高质量、高精度偏振检测装置的代表， 为实验工作者迫切想要解决的精确测量电磁波偏振该个技术性难题提供了具体的解决方 案。
[0013] 本发明应用电磁特异介质（Meta-materials)的理论思想，通过特异介质单元 (Meta-atom)的几何设计（Desi即/F油rication)和几何贝尔相位（Geometry Beiry化ase) 梯度，在"旋转结构"电磁特异介质超表面（Meta-sudace)上实现了效率近似100%的光 子自旋霍尔效应（Photonic Spin化11 Effect)。"旋转结构"电磁特异介质超表面将任意 偏振的待检测入射电磁波分解成左旋和右旋圆偏振