一种偏振选择响应的非厄米超表面

本发明属于电磁波偏振调控领域，具体涉及一种偏振选择响应的非厄米超表面。

背景技术：

1、非厄米奇异点效应是指在增益-损耗不同的能量模式耦合形成的非厄米系统中，多个原本不同的本征值和本征矢量在奇异点处出现本征值和本征矢量同时简并的现象。这种现象出现的奇异点是非厄米系统在宇称-时间对称状态和宇称-时间对称破缺状态之间的相变点，调节非厄米系统的模式损耗差以及耦合强度可以使系统达到奇异点。非厄米奇异点效应使超表面系统的本征态简并，并且在圆偏振(右旋圆偏振态和左旋圆偏振态)基下反射矩阵简并的本征态为单一的圆偏振态(右旋圆偏振态或左旋圆偏振态)。当入射光为本征态时，反射光不产生交叉极化分量，即右旋圆偏振光入射下不产生左旋圆偏振光或左旋圆偏振光入射下不产生右旋圆偏振光。

2、超表面单元有着强大的电磁波调控能力，改变超表面单元的结构参数可以调节反射光的相位和振幅，对超表面单元而言，当y偏振方向和x偏振方向上的线偏振光的反射率相同，且反射相位差180°时，则超表面单元在左旋圆偏振光入射下会反射出右旋圆偏振光，在右旋圆偏振入射光下出射左旋圆偏振光，即关闭了圆偏振反射矩阵的共极化通道。由于作用机制不同，所以能将上述现象结合在一起得到圆偏振滤波效果—当系统的本征态是右旋圆偏振态时，右旋圆偏振光的交叉极化通道和共极化通道都关闭，右旋圆偏振光入射下无反射，而左旋圆偏振光入射下仅出射纯粹的右旋圆偏振光；当系统的本征态是左旋圆偏振态时，系统有相反的滤波作用，这可以通过对结构的镜像对称变换得到。这些特性使其在遥感、天文学、偏振成像和医学诊断等领域有着重大潜在应用价值。

3、金属结构层为纳米棒结构的超表面单元是一种常见的线偏振响应超表面元件，通过将多个超表面单元排布成线偏振阵列用于线偏振波调控。调整超表面单元的结构参数可以使电场沿着纳米棒方向的线偏振光被强烈吸收，而垂直纳米棒方向的线偏振光则可以被低损耗地反射。上述现象可以用来对特定方向的线偏振光进行滤波，只要改变纳米棒的朝向，就可以选择不同方向的线偏振响应。

4、对于偏振态的描述通常用斯托克斯矢量表示，其包含四个参数定义公式如下：

5、s0＝i0°+i90°＝i45°+i-45°＝ir+il

6、s1＝i0°-i90°

7、s2＝i45°-i-45°

8、s3＝ir-il

9、其中，s0、s1、s2和s3分别为斯托克斯矢量的四个参数，i0°，i90°，i45°和i-45°分别是沿着x轴0°，90°，45°和-45°方向线偏振分量的光强,ir和il分别是右旋圆偏振和左旋圆偏振分量的光强。

10、早期提取圆偏振信息的方法通常需要大尺寸的滤波片和复杂的光学系统，而且需要旋转各元件的操作分别测量各偏振分量。这使得偏振测量有时间上的测量间隔，不适合实时偏振成像方面的应用。后来，研究者转向像素化偏振探测超表面，但是一开始缺少圆偏振滤波元件，无法得到完整的斯托克斯参量。随后研究者为了得到足够高的圆偏振消光比，又提出了一些三维手性结构超表面，但是三维结构有设计加工复杂且难以与线偏振元件集成的缺点。同时传统的通过测量偏振信息来计算斯托克斯矢量的计算方式会造成一定误差，需要进一步减小误差以提高计算精度。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中的问题，本发明提出了一种偏振选择响应的非厄米超表面和偏振信息提取方法，用于实现一个非厄米超表面产生多个偏振响应以及提取误差更小的偏振信息。

2、本发明采用的技术方案包括：

3、一种偏振选择响应的非厄米超表面，包括若干个超表面阵列，每个所述超表面阵列分别对入射光进行偏振选择响应，辐射出预设偏振状态的反射波，每个所述超表面阵列包括若干个阵列排布的超表面单元，所述超表面单元自上而下包括金属结构层、中间介质层和金属反射层，所述金属结构层包括调控超表面单元的反射波的振幅和相位的金属结构。

4、作为优选，所述超表面包括6个超表面阵列，所述超表面阵列包括4×4个超表面单元，6个所述超表面阵列中的超表面单元的金属结构层分别包括4个朝向不同的纳米棒型金属结构和2个镜像对称的类“f”型金属结构，所述4个朝向不同的纳米棒型金属结构所处的超表面阵列为线偏振选择阵列，所述2个镜像对称的类“f”型金属结构所处的超表面阵列为圆偏振选择阵列。

5、作为优选，4个朝向不同的所述纳米棒型金属结构与预设轴线形成的较小夹角的角度分别为0°、+45°、-45°和90°，2个所述类“f”型金属结构关于预设轴线镜像对称。

6、作为优选，所述类“f”型金属结构的长度l1的范围为20nm～50nm，长度l2的范围为70nm～120nm，长度l3的范围为25nm～50nm，间隔g的范围为70nm～120nm，宽度w的范围为30nm～50nm，厚度范围为25nm～50nm。

7、作为优选，所述纳米棒型金属结构的宽度w0的范围为15nm～30nm，长度l0的范围为60nm～120nm，厚度范围为25nm～40nm。

8、作为优选，每个所述超表面阵列间隔预设距离，所述预设距离中间布置与超表面阵列匹配的中间介质层和金属反射层。

9、作为优选，还包括介质基底，所述介质基底布置在金属反射层下方，并与金属反射层贴合，所述介质基底的厚度范围为120nm～200nm。

10、作为优选，所述金属结构层和金属反射层的材料为银，所述金属反射层的厚度范围为120nm～200nm。

11、作为优选，所述中间介质层的材料为二氧化硅，所述二氧化硅的厚度范围为40nm～80nm。

12、作为优选，每个所述超表面单元的金属结构层、中间介质层和金属反射层的厚度和材料均分别相同,每个所述超表面单元的金属结构层、中间介质层和金属反射层均分别匹配连接，每个所述超表面单元的周期p的范围为360nm～480nm。

13、一种偏振选择响应的非厄米超表面的偏振信息提取方法，包括步骤：

14、获取非厄米超表面反射出的多个偏振信息，并根据偏振信息计算斯托克斯矢量的四个参数。

15、作为优选，所述计算斯托克斯矢量的四个参数的公式为：

16、

17、

18、

19、

20、其中，s0、s1、s2和s3分别为斯托克斯矢量的四个参数，其中r0°，r90°，r45°和r-45°分别是沿着x轴0°，90°，45°和-45°方向的线偏振波入射非厄米超表面对应的线偏振选择阵列得到的反射光强，rr和rl分别是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光入射非厄米超表面的圆偏振选择阵列得到的反射光强。而pl和pc分别是线偏振选择阵列的反射率和圆偏振选择阵列的反射率。

21、本发明的有益效果包括：设计一对金属结构层为类“f”型金属结构的镜像对称的超表面单元，对两个镜像对称的超表面单元分别进行阵列排布得到两个圆偏振选择阵列，实现对左圆偏振入射光和右圆偏振入射光的偏振响应，对4个朝向不同的纳米棒型金属结构分别排布阵列获得4个线偏振选择阵列，以实现对4种不同的方向的线偏振入射光的偏振响应，将2个圆偏振选择阵列与4个线偏振选择阵列结合排布，以实现一个非厄米超表面的6种偏振选择响应。同时计算6个偏振选择阵列反射的光强信息可以反推出入射光的完整偏振信息，并对计算公式进行系数补正已获得误差更小的入射光偏振信息。