一种偏振选择响应的非厄米超表面

技术领域

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

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。

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。

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。

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：

S

S

S

S

其中，S

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。

发明内容

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。

本发明采用的技术方案包括：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

作为优选，所述计算斯托克斯矢量的四个参数的公式为：

其中，S

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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本发明中一种偏振选择响应的非厄米超表面的结构示意图。

附图2为本发明中纳米棒型金属结构的超表面单元在xoy平面的示意图。

附图3为本发明中类“F”型金属结构的超表面单元在xoy平面的示意图。

附图4为本发明中类“F”型金属结构的超表面单元在yoz平面的示意图。

附图5为本发明实施例的沿x方向的线偏振选择阵列在640纳米到710纳米波段对两种线偏振光的反射率曲线谱。

附图6为本发明实施例的沿x方向的线偏振选择阵列在640纳米到710纳米波段对两种线偏振光的消光比曲线谱。

附图7为本发明的实施例中的左旋圆偏振选择阵列在640纳米到710纳米波段对两种圆偏振光的反射率曲线谱。

附图8为本发明的实施例中的左旋圆偏振选择阵列在640纳米到710纳米波段对两种圆偏振光的消光比曲线谱。

附图9为本发明实施例的像素单元对1到8号偏振光进行偏振信息提取的S0参量仿真值和理论值的对比图。

附图10为本发明中非厄米超表面对1到8号偏振光进行偏振信息提取的S1参量仿真值和理论值的对比图。

附图11为本发明中非厄米超表面对1到8号偏振光进行偏振信息提取的S2参量仿真值和理论值的对比图。

附图12为本发明中非厄米超表面对1到8号偏振光进行偏振信息提取的S3参量仿真值和理论值的对比图。

其中，1为较小夹角的角度为0°的纳米棒型金属结构，2为较小夹角的角度为45°的纳米棒型金属结构,3为较小夹角的角度为-45°的纳米棒型金属结构,4为较小夹角的角度为90°的纳米棒型金属结构,5和6为一对镜像对称的类“F”型金属结构，1-1为纳米棒型金属结构的长度W0，1-2为纳米棒型金属结构的长度L0,11为纳米棒型金属结构所在超表面单元的周期P长度，5-1为类“F”型金属结构的长度L1,5-2为类“F”型金属结构的长度L2,5-3为类“F”型金属结构的长度L3,5-4为类“F”型金属结构的长度G,5-5、5-6和5-7分别为类“F”型金属结构的宽度W1、W2和W3,10为类“F”型金属结构所在超表面单元的周期P的长度。

具体实施实例

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考附图1，一种偏振选择响应的非厄米超表面，超表面包括6个超表面阵列，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，每个超表面阵列包括4×4个阵列排布的超表面单元，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，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，6个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，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，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。

4个朝向不同的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个类“F”型金属结构关于预设轴线镜像对称。

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W1、W2和W3的范围均为30nm～50nm，厚度范围为25nm-50nm。

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。

每个超表面阵列间隔预设距离，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。

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

金属结构层和金属反射层的材料为银，金属反射层的厚度范围为120nm～200nm。

中间介质层的材料为二氧化硅，二氧化硅的厚度范围为40nm～80nm。

每个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，每个超表面单元的周期P的范围为360nm～480nm。

本实施例对非厄米超表面中的数据进行优选并建立模型，通过电磁仿真软件COMSOL对优选的非厄米超表面进行仿真模拟。其中，对非厄米超表面进行优选数值确定包括：类“F”型金属结构的长度L1为30nm，长度L2为77nm，长度L3为38nm，间隔G为91nm，宽度W1、W2和W3均为40nm，厚度为30nm。类“F”型金属结构的长度L0为74nm，宽度为16nm，厚度为30nm，中间介质层、金属反射层和介质基底的厚度分别为50nm、150nm和150nm。所有超表面单元的周期P的长度均为400nm。

利用电磁仿真软件COMSOL对附图2中的超表面单元所构成的线偏振选择阵列入射x线偏振光和y线偏振光，得到线偏振选择阵列对线偏振光的选择响应结果，如图5所示，当入射光的波长变化时，可以观察到偏振选择性反射现象，该结构在675nm处y线偏振光有强烈的吸收，同时对x线偏振光有较高的反射，此处反射率达到98.9％，相应的圆偏振消光比如图6所示，在675nm处消光比

利用电磁仿真软件COMSOL对附图3和附图4中的超表面单元所构成的圆偏振选择阵列入射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，得到圆偏振选择阵列对圆偏振光的选择响应结果，如附图7所示，当入射光的波长变化时，可以观察到偏振选择性反射现象，该结构在675nm处对右旋圆偏振光有强烈的吸收，同时对左旋圆偏振光有较高的反射，此处反射率达到58.3％，相应的圆偏振消光比如图8所示，在675nm处消光比

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：

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。

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：

S

S

S

S

其中，S

考虑到反射损耗，由反射振幅反推入射偏振态时需要在定义公式的基础上引入修正系数，引入修正系数后，计算斯托克斯矢量的四个参数的公式为：

其中，S

类“F”型金属结构的镜像对称结构所构成的圆偏振选择阵列用于响应右旋圆偏振光，较小夹角角度为0°、90°、+45°和-45°的纳米棒型金属结构所构成的用于选择响应x线偏振光、y线偏振光、+45°线偏振光和-45°线偏振光。因此，利用电磁仿真软件COMSOL对非厄米超表面进行仿真模拟，入射编号分别由1到8的8种偏振光，其中，表1中的入射光的表达形式为(x方向电场振幅比例，y方向电场振幅比例，x方向领先y方向的相位)，相应的入射光偏振态分别为：1.x线偏振光，2.y线偏振光，3.+45°线偏振光，4.-45°线偏振光，5.右旋圆偏振光，6.左旋圆偏振光，7.椭圆偏振光，8.椭圆偏振光。入射光波长为675nm，根据输入的入射光偏振态通过公式计算斯托克斯参量的理论值，记录各个偏振阵列的反射光强如表1所示，并与入射光的斯托克斯参量仿真值做比对，各斯托克斯参量的理论值和仿真值对比结果如图9到12所示。为了方便起见，以S0归一化S1，S2，S3，由附图9-12可知，通过计算公式计算的斯托克斯矢量误差很小，在以上8种入射偏振态下，最大误差出现在3号和4号偏振态的S3，且最大误差小于0.03。仿真和计算结果表明，非厄米超表面能够实现多种偏振的选择响应，并且修正的计算公式能够进一步减小误差。

表1为对非厄米超表面进行仿真后对1到8号偏振光进行偏振信息提取以得到的仿真反射光强数据表。

以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。