光，用圆极化卿趴分别对左旋和右旋圆 偏振光作测量，由测量结果反推得到待检测入射电磁波的偏振状态。所有的效应和理论跟 具体的电磁波工作频段无关，因此，本发明可W覆盖微波（Micro-Wave)、太赫兹（Ter址ertz wave)和光波（Optics)的科研（Science)和工程巧ngineering)领域，本发明将作为新一 代高质量、高精度的电磁波偏振检测装置（Polarization Detector)的代表。
【附图说明】
[0014] 图1.微波偏振检测装置的原理示意图。
[0015] 图2.微波偏振检测装置的实验结果。注；"输入"是通过微波偏振片（Wave Plate) 的实验数据作理论计算得到的结果。"实验"是通过微波偏振检测装置测量得到的实验结 果。
[0016] 图3.特异介质单元示例的结构常数订页视图）。
[0017] 图4.特异介质单元示例的结构常数(侧视图）。
[0018] 图5.特异介质单元图示。其中，（a)真实样品图，（b)光子自旋霍尔效应的相对效 率。
[0019] 图6.由六个"旋转"的特异介质单元构成的超级原胞(立维立体图）。
[0020] 图7."旋转结构"电磁特异介质超表面图示。其中，（a)真实样品图，（b)左旋圆 偏振光的反射波的角分辨实验结果，（C)右旋圆偏振光的反射波的角分辨实验结果。
[0021] 图8.微波波片图示。其中，（a)真实样品图，（b)透射率模值，（C)透射相位的实 验结果。注："输入"是通过传统方法测量得到的结果。"实验"是通过微波偏振检测装置测 量得到的实验结果。
【具体实施方式】
[0022] 本发明设计理念的关键是如何实现高效的光子自旋霍尔效应，将待检测电磁波分 解成左旋和右旋圆偏振光巧日图1所示)。我们将二维周期阵列中每个特异介质单元主轴绕 -轴转动一定角度，该转动角度沿X方向线性递增，即构成"旋转结构"电磁特异介质超表 面。"旋转结构"电磁特异介质超表面为电磁波纯相位调制型器件，附加的几何贝尔相位来 自特异介质单元的几何转动角度巧日图6所示)。
[0023] 本发明的设计过程是理论，模拟和实验H位一体，具体如下： 1、理论部分： 我们从琼斯矩阵理论出发，找到了设计高效光子自旋霍尔效应的关键。在理论上，反射 波(透射波）与入射波之间的关系可W通过特异介质单元的反射琼斯矩阵R(句（透射琼斯 矩阵1 (句）联系起来。其中，为特异介质单元绕3轴几何转动的角度，定义；^平面为特 异介质单元周期性排列的二维平面，[此巧为特异介质单元的主轴方向。
[0024] 当入射电磁波为右旋(左旋）圆偏振光时时，反射波为：
【主权项】
1. 一种基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置，其特征在于：由入射模块， 散射模块和接收模块组成；其中： 所述入射模块由网格分析仪、发射喇叭和光路系统中的各种光学元件构成；所述网格 分析仪内置时域门技术，能以脉冲形式将标准的电信号输入到发射喇叭；发射喇叭作为电 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，这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构成，具体为由 特异介质单元以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Z轴转动一定角度，该转动角度沿Z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，设计特异介质单元，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，即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，送入接收模块； 所述接收模块是由两侧的左旋和右旋圆极化喇叭，以及与之相连接的网格分析仪构 成；左旋和右旋两个圆极化喇叭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。
2. 根据权利要求1所述的基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置，其特征在 于：为了提高实验精度，入射模块开启网格分析仪的时域门，使得电磁波在光路系统中以波 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 以垂直入射的形式到散射模块的"旋转结构"电磁特异介质超表面；如果采用倾斜入射的形 式到散射模块的"旋转结构"电磁特异介质超表面，则尽量保证被"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。
3. 根据权利要求1或2所述的基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置，其特 征在于：入射模块输出的待检测电磁波是平面波；如果输出的待检测电磁波是高斯光束， 则其束腰平面与"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。
4. 根据权利要求1或2所述的基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置，其特 征在于：左旋圆极化喇叭对称轴应与左旋圆偏振光传播方向平行，右旋圆极化喇叭对称轴 应与右旋圆偏振光传播方向平行；喇叭口置于电磁场强度最大的地方。
5. 根据权利要求4所述的基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置，其特征在 于：在测量过程中，固定并保持圆极化喇叭与"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，左旋和右旋圆极化喇叭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。
【专利摘要】本发明属于电磁波偏振检测技术领域，具体为一种基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置。本发明检测装置通过高效的“光子自旋霍尔效应”将待检测电磁波分解成左旋和右旋圆偏振光，然后分别测量其模值和相位，反推得到待检测电磁波的偏振。“光子自旋霍尔效应”是通过全反射式“旋转结构”电磁特异介质超表面的线性几何贝尔相位梯度实现。本发明相比传统的偏振检测方式（用正对着的线极化喇叭直接测量电磁波的 和分量）具有更方便快捷，而且误差更少，稳定性更好的优点。本发明工作频段在，通过等比列缩放或重新设计特异介质单元结构常数，可以推广到其他工作频段。
【IPC分类】G01R29-08
【公开号】CN104569622
【申请号】CN201410813315
【发明人】罗伟杰, 何琼, 孙树林, 周磊
【申请人】复旦大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月24日