光电转换装置、电磁波检测装置、光电转换方法及电磁波检测方法与流程

本发明的一方面涉及光电转换装置、电磁波检测装置、光电转换方法和电磁波检测方法。

背景技术：

1、通常有四种类型的电子发射，例如热电子发射、光电发射、二次发射和场致发射。热电子发射是通过加热电极来实现的。光电发射是通过应用光子来实现的。二次发射是通过轰击光速电子来实现的。场致发射是在静电场存在的情况下实现的。美国专利申请公开no.2016/0216201示出了一种检测电磁波的电磁波检测系统。该系统包括将电磁波转换成电子的光电转换装置。光电转换装置设置有具有超材料结构的电子发射器。该系统检测进入电子发射器的电磁波。

技术实现思路

1、上述光电转换装置的电子发射器响应于电磁波的入射而发射电子。该系统基于从电子发射器发射的电子来检测进入的电磁波。根据上述系统，例如，可以检测太赫兹波。

2、存在检测进入的电磁波的偏光状态的需求。为了检测偏光状态，可以想到使用组合了偏光器和检测器的光学系统。例如，使用组合了线栅和检测器的光学系统。然而，采用这种光学系统时，器件结构复杂，并且检测偏光态的成本较高。

3、本发明的一个方面的目的是提供一种能够容易地实现对电磁波的偏光状态的检测的光电转换装置。本发明的另一方面的目的是提供一种能够容易地检测电磁波的偏光状态的电磁波检测装置。本发明的另一方面的目的是提供一种能够容易地实现对电磁波的偏光状态的检测的光电转换方法。本发明的另一方面的目的是提供一种能够容易地检测电磁波的偏光状态的电磁波检测方法。

4、根据本发明的一个方面的光电转换装置具有电子发射器。该电子发射器包括响应于电磁波的入射而发射电子的超表面。该超表面包括第一天线部、第一偏置部、第二天线部和第二偏置部。第一天线部沿第一方向延伸并且响应于电磁波的入射发射电子。第一偏置部面对第一天线部，并且被配置成在第一偏置部和第一天线部之间产生具有第一方向上的分量的电场。第二天线部在与第一方向交叉的第二方向上延伸，并且响应于电磁波的入射而发射电子。第二偏置部面对第二天线部，并且被配置成在第二偏置部和第二天线部之间产生具有第二方向上的分量的电场。

5、在该光电转换装置中，第一天线部和第二天线部在彼此交叉的第一方向和第二方向上延伸。第一偏置部被配置为在第一偏置部和第一天线部之间产生具有第一方向上的分量的电场。第二偏置部被配置为在第二偏置部和第二天线部之间产生具有第二方向上的分量的电场。根据这种配置，第一天线部根据输入的电磁波的电场强度在第一方向上的分量来发射电子。第二天线部根据输入的电磁波的电场强度在第二方向上的分量来发射电子。其结果，可以检测根据输入的电磁波的电场强度的第一方向上的分量发射的电子和根据输入的电磁波的电场强度的第二方向上的分量发射的电子。通过它们的检测，可以容易地实现电磁波偏光态的检测。

6、在上述方面中，光电转换装置可以还包括电位控制单元，该电位控制单元被配置为控制施加到超表面的电位。电位控制单元可以通过控制施加到超表面的电位来在第一状态和第二状态之间切换以及在第三状态和第四状态之间切换。在第一状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量可以是正的。在第二状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量可以是负的。在第三状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量可以是正的。在第四状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量可以是负的。在这种情况下，当电磁波在第一状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第一方向上的正分量，从第一天线部发射电子。当电磁波在第二状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的负分量，从第一天线部发射电子。当电磁波在第三状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第二方向上的正分量，从第二天线部发射电子。当电磁波在第四状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的负分量，从第二天线部发射电子。因此，光电转换装置能够通过检测各状态下从超表面发射的电子，对第一方向和第二方向的各个上的各个极性实现进入电子发射器的电磁波的电场强度的测量。其结果，能够更加准确地实现电磁波偏光态的检测。

7、在上述方面中，第一天线部可以包括设置于第一方向上彼此不同的位置的第一前端和第二前端。第一偏置部可以包括第一部分和第二部分。第一部分可以面对第一前端并且在第一部分和第一前端之间产生具有沿第一方向的分量的电场。第二部分可以面对第二前端并且在第二部分和第二前端之间产生具有沿第一方向的分量的电场。第二天线部可以包括设置在第二方向上彼此不同的位置的第三前端和第四前端。第二偏置部可以包括第三部分和第四部分。第三部分可以面对第三前端并在第三部分和第三前端之间产生具有沿第二方向分量的电场。第四部分可以面对第四前端并在第四部分和第四前端之间产生具有沿第二方向分量的电场。在第一方向上，第二部分、第二前端、第一前端和第一部分可以按此顺序设置。在第二方向上，第四部分、第四前端、第三前端和第三部分可以按此顺序设置。在这种情况下，通过检测从超表面发射的电子，可以以简单的结构对第一方向和第二方向的各个上的各个极性实现对进入电子发射器的电磁波的电场强度的测量。

8、在上述方面中，可以进一步包括被配置为控制施加到超表面的电位的电位控制单元。电位控制单元可以通过控制施加到超表面的电位来在第一状态和第二状态之间切换以及在第三状态和第四状态之间切换。在第一状态下，从第一前端朝向第一部分的电场在第一方向上的分量可以是正的，从第二部分朝向第二前端的电场在第一方向上的分量可以是正的，从第三前端朝向第三部分的电场在第二方向上的分量可以为正的，并且从第四前端朝向第四部分的电场在第二方向上的分量可以是负的。在第二状态下，从第一部分朝向第一前端的电场在第一方向上的分量可以是负的，从第二前端朝向第二部分的电场在第一方向上的分量可以是负的，从第三前端朝向第三部分的电场在第二方向上的分量可以是正的，并且从第四前端朝向第四部分的电场在第二方向上的分量可以是负的。在第三状态下，从第一前端朝向第一部分的电场在第一方向上的分量可以是正的，从第二前端朝向第二部分的电场在第一方向上的分量可以是负的，从第三前端朝向第三部分的电场在第二方向上的分量可以是正的，并且从第四部分朝向第四前端的电场在第二方向上的分量可以是正的。在第四状态下，从第一前端朝向第一部分的电场在第一方向上的分量可以是正的，从第二前端朝向第二部分的电场在第一方向上的分量可以是负的，从第三部分朝向第三前端的电场在第二方向上的分量可以是负的，并且从第四前端朝向第四部分的电场在第二方向上的分量可以是负的。在这种情况下，当电磁波在第一状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第一方向上的正分量从第一天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第二状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的负分量从第一天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第三状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第二方向上的正分量从第二天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第四状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的负分量从第二天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。

9、在上述方面中，可以进一步包括被配置为控制施加到超表面的电位的电位控制单元。电位控制单元可以通过控制施加到超表面的电位来在第一状态和第二状态之间切换以及在第三状态和第四状态之间切换。在第一状态下，施加到第一部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第二部分的电位可以高于施加到第一天线部的电位，施加到第三部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位，并且施加到第四部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位。在第二状态下，施加到第一部分的电位可以高于施加到第一天线部的电位，施加到第二部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第三部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位，并且施加到第四部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位。在第三状态下，施加到第一部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第二部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第三部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位，并且施加到第四部分的电位可以高于施加到第二天线部的电位。在第四状态下，施加到第一部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第二部分的电位可以低于施加到第一天线部的电位，施加到第三部分的电位可以高于施加到第二天线部的电位，并且施加到第四部分的电位可以低于施加到第二天线部的电位。在这种情况下，在第一前端和第一部分之间、第二前端和第二部分之间、第三前端和第三部分之间以及第四前端和第四部分之间出现电位差。通过电位差产生电场。其结果，当电磁波在第一状态下进入超表面时，电子根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的正分量从第一天线部发射，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第二状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的负分量从第一天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第三状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第二方向上的正分量从第二天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。当电磁波在第四状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的负分量从第二天线部发射电子，并且抑制了根据所进入的电磁波的电场强度的另一分量的电子发射。

10、在上述方面中，第一方向和第二方向可以彼此正交。超表面可以进一步包括第三天线部和第三偏置部。第三天线部可以在与第一方向和第二方向交叉的第三方向上延伸，并且可以响应于电磁波的入射而发射电子。第三偏置部可以面对第三天线部，并且被配置为在第三偏置部和第三天线部之间产生具有第三方向上的分量的电场。根据这样的结构，第三天线部根据进入的电磁波的电场强度的第三方向上的分量发射电子。在这种情况下，可以进一步检测根据进入的电磁波的电场强度的第三方向上的分量发射的电子。因此，通过检测从超表面发射的电子，可以通过简单的计算处理来检测包括圆偏光的入射电磁波的偏光状态。

11、在上述方面中，可以进一步包括被配置为控制施加到超表面的电位的电位控制单元。电位控制单元可以通过控制施加到超表面的电位在第一状态和第二状态之间切换、在第三状态和第四状态之间切换以及在第五状态和第六状态之间切换。在第一状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量可以是正的。在第二状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量可以是负的。在第三状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量可以是正的。在第四状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量可以是负的。在第五状态下，从第三偏置部朝向第三天线部的电场在第三方向上的分量可以是负的。在第六状态下，从第三偏置部朝向第三天线部的电场在第三方向上的分量可以是正的。在这种情况下，当电磁波在第一状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第一方向上的正分量，从第一天线部发射电子。当电磁波在第二状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的负分量，从第一天线部发射电子。当电磁波在第三状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第二方向上的正分量，从第二天线部发射电子。当电磁波在第四状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的负分量，从第二天线部发射电子。当电磁波在第五状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第三方向上的负分量，从第二天线部发射电子。当电磁波在第六状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第三方向上的正分量，从第二天线部发射电子。因此，光电转换装置能够通过检测在各个状态下从超表面发射的电子来对第一方向、第二方向和第三方向的各个上的各个极性实现进入电子发射器的电磁波的电场强度的测量。

12、在上述方面中，光电转换装置可以进一步设置有壳体，该壳体被配置为气密性地密封并且具有透射电磁波的窗单元。电子发射器可以设置在壳体中。在这种情况下，可以通过使壳体成为真空或用气体填充壳体来提高响应于电磁波的入射的电子发射量。

13、根据本发明的另一方面的电磁波检测装置具有上述光电转换装置、检测单元和计算单元。检测单元被配置为检测从电子发射器发射的电子。计算单元被配置为基于检测单元在第一状态下的检测结果、检测单元在第二状态下的探测结果、检测单元在第三状态下的检测结果和检测单元在第四状态下的探测结果来计算电磁波的偏光信息。在这种情况下，电磁波检测装置能够容易地检测电磁波的偏光状态。

14、根据本发明的又一方面的光电转换方法具有使用包括沿第一方向延伸的第一天线部、面对第一天线部的第一偏置部、沿与第一方向交叉的第二方向延伸的第二天线部、以及面对第二天线部的第二偏置部的超表面，在响应于待测量的电磁波在超表面上的入射而在第一偏置部和第一天线部之间产生具有沿第一方向的分量的电场的状态下从第一天线部发射电子的步骤；以及使用超表面，在响应于待测量的电磁波在超表面上的入射而在第二偏置部和第二天线部之间产生具有第二方向上的分量的电场的状态下从第二天线部发射电子的步骤。第一天线部在第一方向上延伸。第一偏置部面对第一天线部。第二天线部在与第一方向交叉的第二方向上延伸。第二偏置部面对第二天线部。

15、在光电转换方法中，当在第一偏置部和第一天线部之间产生具有第一方向上的分量的电场的状态下待测量的电磁波进入超表面时，从第一天线部发射电子。当在第二偏置部和第二天线部之间产生具有第二方向上的分量的电场的状态下待测量的电磁波进入超表面时，从第二天线部发射电子。在这种情况下，第一天线部根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的分量发射电子。第二天线部根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的分量发射电子。其结果，可以检测根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的分量发射的电子和根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的分量发射的电子。根据它们的检测，可以容易地实现对电磁波的偏光状态的检测。

16、在上述的又一方面中，从第一天线部发射电子的步骤可以具有第一电子发射步骤和第二电子发射步骤。在第一电子发射步骤中，可以在第一状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第一天线部发射电子。在第一状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是正的。在第二电子发射步骤中，可以在第二状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第一天线部发射电子。在第二状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是负的。从第二天线部发射电子的步骤可以具有第三电子发射步骤和第四电子发射步骤。在第三电子发射步骤中，可以在第三状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第二天线部发射电子。在第三状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是正的。在第四电子发射步骤中，可以在第四状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第二天线部发射电子。在第四状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是负的。在这种情况下，在第一状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是正的。因此，当电磁波在第一状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第一方向上的正分量，从第一天线部发射电子。在第二状态下，从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是负的。因此，当电磁波在第二状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第一方向上的负分量，从第一天线部发射电子。在第三状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是正的。因此，当电磁波在第三状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第二方向上的正分量，从第二天线部发射电子。在第四状态下，从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是负的。因此，当电磁波在第四状态下进入超表面时，根据进入的电磁波的电场强度的第二方向上的负分量，从第二天线部发射电子。因此，根据光电转换方法，通过检测在各个状态下从超表面发射的电子，可以对第一方向和第二方向的各个上的各个极性实现对进入电子发射器的电磁波的电场强度的测量。

17、在上述的又一方面中，第一方向和第二方向可以彼此正交。超表面可以进一步包括第三天线部和第三偏置部。第三天线部可以在与第一方向和第二方向交叉的第三方向上延伸。第三偏置部可以面对第三天线部。光电转换方法可以进一步具有响应于待测量的电磁波在超表面上的入射而从第三天线部发射电子的步骤。在这种情况下，第三天线部根据进入的电磁波的电场强度的第三方向上的分量发射电子。因此，可以检测根据进入的电磁波的电场强度的第三方向上的分量发射的电子。因此，通过检测从超表面发射的电子，可以通过简单的计算处理来检测包括圆偏光的入射电磁波的偏光状态。

18、在上述的又一方面中，从第一天线部发射电子的步骤可以具有第一电子发射步骤和第二电子发射步骤。在第一电子发射步骤中，可以在第一状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第一天线部发射电子。在第一状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是正的。在第二电子发射步骤中，可以在第二状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第一天线部发射电子。在第二状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第一偏置部朝向第一天线部的电场在第一方向上的分量是负的。从第二天线部发射电子的步骤可以具有第三电子发射步骤和第四电子发射步骤。在第三电子发射步骤中，可以在第三状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第二天线部发射电子。在第三状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是正的。在第四电子发射步骤中，可以在第四状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第二天线部发射电子。在第四状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第二偏置部朝向第二天线部的电场在第二方向上的分量是负的。从第三天线部发射电子的步骤可以具有第五电子发射步骤和第六电子发射步骤。在第五电子发射步骤中，可以在第五状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第三天线部发射电子。在第五状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第三偏置部朝向第三天线部的电场在第三方向上的分量是正的。在第六电子发射步骤中，可以在第六状态下，响应于待测量的电磁波在超表面上的入射，从第三天线部发射电子。在第六状态下，电位可以被施加到超表面，使得从第三偏置部朝向第三天线部的电场在第三方向上的分量是负的。因此，当电磁波在第五状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第三方向上的正分量，从第二天线部发射电子。因此，当电磁波在第六状态下进入超表面时，根据所进入的电磁波的电场强度的第三方向上的负分量，从第二天线部发射电子。因此，通过检测在各个状态下从超表面发射的电子，可以对第一方向、第二方向和第三方向的各个上的各个极性实现对进入电子发射器的电磁波的电场强度的测量。

19、根据本发明的又一个方面的电磁波检测方法具有上述光电转换方法，并且还具有第一检测步骤、第二检测步骤、第三检测步骤、第四检测步骤和计算步骤。在第一检测步骤中，检测在第一电子发射步骤中从电子发射器发射的电子。在第二检测步骤中，检测在第二电子发射步骤中从电子发射器发射的电子。在第三检测步骤中，检测在第三电子发射步骤中从电子发射器发射的电子。在第四检测步骤中，检测在第四电子发射步骤中从电子发射器发射的电子。在计算步骤中，基于第一检测步骤、第二检测步骤、第三检测步骤和第四检测步骤中的检测结果来计算电磁波的偏光信息。在这种情况下，可以容易地检测电磁波的偏光状态。

20、根据本发明的一个方面，可以提供一种光电转换装置，该光电转换装置能够容易地实现对电磁波的偏光状态的检测。根据本发明的另一方面，可以提供一种能够容易地检测电磁波的偏光状态的电磁波检测装置。根据本发明的又一方面，可以提供一种光电转换方法，该光电转换方法能够容易地实现对电磁波的偏光状态的检测。根据本发明的又一方面，可以提供一种能够容易地检测电磁波的偏光状态的电磁波检测方法。