平面光学元件及其设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种平面光学元件及其设计方法。该光学元件的设计方法包括：设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和光致结果的目标参数，设计天线的可变结构参数；以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列；由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。本发明的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由圆偏振光入射时所激发的相反手性的圆偏振光的相位，将不同手性的圆偏振光聚焦到不同位置，从而达到分离左旋与右旋圆偏振光的目的，是一种可靠的设计方法。本发明的方法设计的平面光学元件，实现了理想的偏振分离效果，填补了现有光学元件在圆偏振光分离方面的空缺。
【专利说明】平面光学元件及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学领域，尤其涉及一种平面光学元件及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 圆偏振光是电矢量在波面内以角速度ω匀速旋转而瞬时值大小不变的光波。由 垂直振动合成的理论可知，振幅相等、偏振互相垂直且相位差为土 η/2的线偏振光可以合 成圆偏振光，根据相位差的正负分为左旋和右旋圆偏振光。
[0003] 现有的圆偏振光分离技术主要有两种，一种是利用传统的四分之一波片和偏振 片，左旋和右旋圆偏振光通过四分之一波片之后会成为偏振互相垂直的线偏振光，然后再 利用偏振片对产生的线偏振光进行检测，进而实现对圆偏振光的区分。另一种技术是利用 光子的自旋霍尔效应，当圆偏振光在介质分界面反射或折射时，为了保证总角动量守恒，左 旋和右旋圆偏振光会在垂直入射面的横向产生一个很小的相对位移，利用弱测量方法可以 观测到这个很小的位移，实现圆偏振光的偏振分离。
[0004] 利用传统四分之一波片和偏振片的方法虽然可以区分左旋和右旋圆偏振光，但是 在区分过程中需要手动调节四分之一波片或者偏振片观察光强变化，而且左旋和右旋圆偏 振光在空间上并未分离，不利于实时直观的区分圆偏振光的手性。这种方法利用了传统的 光学元件，也不利于器件的小型化集成。
[0005] 利用光子自旋霍尔效应可以实现左旋和右旋圆偏振光在空间上的分离，但是由于 自旋霍尔效应非常弱，左旋和右旋圆偏振光的分离距离非常小，最大只到微米量级，需要复 杂的观测系统，不利于直观的观测，而且也无法实现小型化和集成化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术圆偏振光偏振分离器件在直观性、实时性和小型化 方面存在的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种平面光学元件，用于实现全波段的圆偏振光 的偏振分离。该平面光学元件包括：
[0008] 基底；
[0009] 金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线 微阵列包含多个天线阵元；
[0010] 所述多个天线阵元具有不同的倾角。
[0011] 所述平面光学元件用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。
[0012] 优选地，所述基底的材料采用对所用光波段透明的材料。
[0013] 优选地，所述金属膜的材质为良导体。
[0014] 优选地，所述良导体为金、银、铜或铝。
[0015] 所述天线阵元为狭缝，相邻的所述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由 所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之间为空气。
[0016] 优选地，所述天线阵元为矩形结构、"C"形结构或"V"形结构。
[0017] 本发明还提供了一种平面光学元件的设计方法，用于设计对全波段圆偏振光进行 偏振分离的平面光学元件，其特征在于，所述方法包括：
[0018] 设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和 光致结果的目标参数，设计所述天线的可变结构参数；
[0019] 以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列；
[0020] 由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。
[0021] 所述平面光学元件用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。
[0022] 优选地，所述光致结果的目标参数为所述入射光发生偏振分离后会聚光束的焦距 和两焦点分开距离。
[0023] 优选地，所述天线的可变结构参数为天线的倾角。
[0024] 本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由圆偏振光入射到 该平面光学元件时所激发的相反手性的圆偏振光的相位，将不同手性的圆偏振光聚焦到不 同位置，从而实现分离左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的目的，是一种可靠的设计方法。根据 本发明实施例的方法设计的平面光学元件，实现了理想的偏振分离效果，填补了现有光学 元件在圆偏振光分离方面的空缺。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图；
[0026] 图2a是本发明实施例的矩形天线的结构示意图；
[0027] 图2b是本发明另一实施例的"C"形天线的结构示意图；
[0028] 图2c是本发明另一实施例的"V"形天线的结构示意图；
[0029] 图3是本发明实施例的矩形天线对圆偏振光进行偏振分离的示意图；
[0030] 图4是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态 振幅谱的模拟图谱；
[0031] 图5是本发明实施例的具有矩形天线阵列的平面光学元件激发的透射场的稳态 振幅谱的实验图谱。
【具体实施方式】
[0032] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0033] 本发明实施例设计出了具有特定结构的天线微阵列的平面光学元件，实现了对圆 偏振光的偏振分尚。
[0034] 图1是本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图。该平面光学元件可用 于实现全波段的圆偏振光的偏振分离。如图所示，该平面光学元件包括：基底11和金属膜 12。基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，如硅半导体、砷化镓半导体，厚 度范围为300 μ m?1000 μ m。金属膜12可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，厚度范 围为100nm?lOOOnm，设置在基底11上。金属膜12上设置有二维天线微阵列13,可以是 方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列，阵列的大小具体根据入射光斑的大小来设定。该二 维天线微阵列13包含N个天线阵元，且N彡36。每一个天线阵元的结构可以是矩形、"C" 形、"V"形以及其他结构。相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长。天线阵元可以是 狭缝，此时相邻阵元之间是良导体；天线阵元也可以由良导体制成，此时相邻阵元之间是空 气。当阵元的结构及阵列的排布都相同时，分别包含这两种形式的天线阵元的两种对应天 线阵列，称其中一种为另一种的反结构天线阵列。
[0035] 优选地，本发明实施例中，基底11的材料采用硅半导体，厚度为500 μ m ;金属膜12 采用金材质，厚度为l〇〇nm ;金属膜12具有的二维天线阵列13的阵列大小为250*250。
[0036] 图2a是本发明实施例的矩形天线的结构示意图。如图2a所示，该矩形天线的长 的范围是120 μ m?180 μ m，宽的范围是40 μ m?80 μ m ;矩形天线的倾角P的分布范围为 0到η。优选地，本发明实施例中，所有矩形天线阵元的长为150 μ m，宽为50 μ m;相邻天线 阵元之间的间隔为200 μ m。
[0037] 图2b是本发明又一实施例的"C"形天线的结构示意图。如图2b所示，该"C"形天 线为一段圆弧形狭缝，圆弧半径r的范围为30 μ m?80 μ m，张角Θ的范围为20°?180°， 狭缝宽度w范围为5μπι?10ym;"C"形天线的倾角供的分布范围为0到π。优选地，本发 明实施例中，所有"C"形天线的半径为35 μ m，张角为30°，狭缝宽度为5 μ m ;相邻天线阵 元之间的间隔为100 μ m。
[0038] 图2c是本发明又一实施例的"V"形天线的结构示意图。如图2c所示，该"V"形 天线由两个矩形狭缝组成，狭缝长度1的范围为50μπι?150μπι，张角Θ的范围为20°? 90°，狭缝宽度w范围为ΙΟμπι?20ym ;"V"形天线的倾角沪的分布范围为0到π。优选 地，本发明实施例中，所有"V"形天线的狭缝长度为90 μ m，张角为60°，狭缝宽度为15 μ m ; 相邻天线阵元之间的间隔为150 μ m。
[0039] 本发明实施例的平面光学元件，可对全波段的圆偏振光进行偏振分离。当一束圆 偏振光入射到该平面光学兀件上时，可同时激发一个偏振分离的透射场和一个偏振分离的 反射场。
[0040] 图3是本发明实施例的矩形天线对圆偏振光进行偏振分离的示意图。如图所示， 当左旋圆偏振光入射时，激发的透射场中的右旋圆偏振光会在左边聚焦；而当右旋圆偏振 光入射时，激发的透射场中的左旋圆偏振光会在右边聚焦。激发的圆偏振光的相位只与矩 形天线倾角有关，表达式为：
[0041]
【权利要求】
1. 一种平面光学元件，用于实现全波段的圆偏振光的偏振分离，其特征在于，所述平面 光学元件包括： 基底； 金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线微阵 列包含多个天线阵元； 所述多个天线阵元具有不同的倾角。
2. 根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述基底的材料采用对所用光 波段透明的材料。
3. 根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述金属膜的材质为良导体。
4. 根据权利要求3所述的平面光学元件，其特征在于，所述良导体为金、银、铜或铝。
5. 根据权利要求3所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为狭缝，相邻的所 述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之 间为空气。
6. 根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为矩形结构、"C" 形结构或"V"形结构等。
7. -种平面光学元件的设计方法，用于设计对全波段圆偏振光进行偏振分离的平面光 学元件，其特征在于，所述方法包括： 设计一组天线：给定入射圆偏振光的波长、天线常数结构参数、天线的位置坐标和光致 结果的目标参数，设计所述天线的可变结构参数； 以所述天线为阵元，设计二维天线微阵列； 由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述平面光学元件用于实现全波段的圆 偏振光的偏振分尚。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光致结果的目标参数为所述入射光 发生偏振分离后会聚光束的焦距和两焦点分开距离。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述天线的可变结构参数为天线的倾 角。
【文档编号】G02B27/00GK104101933SQ201410336442
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】张岩, 王森 申请人:首都师范大学