一种双光束偏折器

本发明涉及超表面，具体涉及一种双光束偏折器。

背景技术：

1、电磁波调控技术在光学、物理学中一直都是十分重要的研究热点，其发展对于通讯、能源、国防等领域都具有非常重要的意义。然而，自然材料的电磁参数变化范围有限，对电磁波的调控能力受限；在此背景下，人工超材料这一概念被学者们提出，其具有远比自然材料强大的电磁波调控能力。随着对人工超材料的不断深入研究，发现其仍存在结构复杂、损耗偏高、难以集成调谐等问题；因此，研究人员近年来又提出了超表面的概念。超表面具有调控电磁波振幅、相位、偏振的作用，且具备低损耗、体积小、易损耗的优势，在光学调控中被广泛运用。

2、其中，光束偏折器是超表面的其中一个重要应用。光束偏折器主要根据广义斯涅尔定律，通过人工设计的超表面结构，实现对超表面单元的相位调控功能，从而改变入射光束的出射角度，进而实现特定波段的特定角度光束偏折的功能。

3、然而，现有的光束偏折器普遍存在结构复杂、损耗高、可调控性差、制作难度高的缺点。如公开号为cn115047658a的中国发明专利公开的一种基于液晶弹性体超表面的太赫兹光束偏折器及其制造方法，其能够在太赫兹波段实现光束偏折；但是其制作难度较高，进而导致其调控方式的实现成本过高，同时存在良品率低、损耗高的缺陷。又如公开号为cn113325490b的中国发明专利公开的一种基于亲疏水选择浸润调控的光偏折超表面，其能够在光学波段实现光束偏折；但是其结构相对复杂，制作成本较高，并且，其难以应用于光学波段以外的其他波段，应用场景受限。

4、此外，在量子传感领域中，常常需要采用两束不同波长的光束向量子传感器对射以实现电磁波的感应测量，同时，还需要分别采集光束对射后的出射光线，以提取感应结果。因此，需要使其中一束出射光线偏折，以便于进行信号采集。现有的光束偏折器虽然基本能够实现出射光线偏折的需求，但是透射率普遍不高，无法适用于两束光束对射的使用场景，无法满足量子传感领域的使用需求，有待进一步改进和完善。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种双光束偏折器，其具有结构简单、损耗低、透射率高、可调控性强的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种双光束偏折器，包括若干个超表面单元；n个超表面单元沿x轴方向依次排列形成单元阵列；所述单元阵列在xoy平面上沿x轴和y轴周期性排列，形成超表面阵列；

4、每个超表面单元分别包括二氧化硅衬底以及刻蚀在二氧化硅衬底上的铌酸锂晶体方块；

5、在每个单元阵列中，n个超表面单元分别具有不同的透射相位且分布于0~2π之间，n个超表面单元按照透射相位从小到大的顺序沿x轴方向依次排列；通过改变各超表面单元中铌酸锂晶体方块在x轴方向上的边长，以调整各超表面单元的透射相位，进而改变双光束偏折器的工作波长。

6、进一步地，所述铌酸锂晶体方块的折射率为2.22~2.28，二氧化硅衬底的折射率为1.45~1.46。

7、进一步地，在整个超表面阵列中，所有超表面单元的二氧化硅衬底连接为一体，各个超表面单元的铌酸锂晶体方块分别独立设置于对应的二氧化硅衬底区域上方且互不接触。

8、进一步地，所述超表面单元中二氧化硅衬底的上表面呈正方形，所述铌酸锂晶体方块设置于二氧化硅衬底的上表面中部。

9、进一步地，当工作波长为785nm时，每个单元阵列中包括沿x轴方向依次排列的8个超表面单元；其中，每相邻2个超表面单元之间具有相等的相位间隔，使得沿x轴方向依次排列的8个超表面单元按照π/4的相位梯度依次设置；其中，位于两端的超表面单元的透射相位分别为π/4和2π，位于中间的超表面单元的透射相位按照π/4的相位梯度依次设置。

10、进一步地，在每个单元阵列中，8个超表面单元的透射相位依次设置为π/4、π/2、3π/4、π、5π/ 4、3π/2、7π/4、2π；通过改变各超表面单元中铌酸锂晶体方块在x轴方向上的边长，调整各超表面单元的透射相位，以满足上述条件。

11、进一步地，超表面单元中，铌酸锂晶体方块在x轴方向上的边长通过以下方法确定：

12、s1、通过仿真测试得到铌酸锂晶体方块的边长与超表面单元的透射相位之间的对应关系；

13、s2、将铌酸锂晶体方块的边长与超表面单元的透射相位之间的对应关系拟合成函数曲线；

14、s3、根据s2中得到的函数曲线，以及各超表面单元所要实现的透射相位，选取对应的铌酸锂晶体方块的边长。

15、本发明将铌酸锂晶体方块和二氧化硅衬底组合形成超表面单元，并且将n个超表面单元沿x轴方向依次排列形成单元阵列，最终将单元阵列在xoy平面上沿x轴和y轴周期性排列形成超表面阵列，制成双光束偏折器。本发明的结构简单，且所采用的材料天然具备损耗低、易于加工的特点，大幅降低了双光束偏折器的制作成本；同时，本发明可以通过改变铌酸锂晶体方块的边长，改变各个超表面单元的透射相位，并最终利用相位梯度实现工作波长的调整，其调控过程方便、快捷且调控成本低，具有可调控性强的优点；此外，由于铌酸锂和二氧化硅自身的透射率都较高，使得本发明在上下两个透射方向上均具有较高的透射率，在双光束相对入射的应用场景下，本发明能够同时实现光束高透射和偏折透射的效果，能够更好地适应量子传感领域的使用需求。

技术特征：

1.一种双光束偏折器，其特征在于，包括若干个超表面单元；n个超表面单元沿x轴方向依次排列形成单元阵列；所述单元阵列在xoy平面上沿x轴和y轴周期性排列，形成超表面阵列；

2.根据权利要求1所述的双光束偏折器，其特征在于，所述铌酸锂晶体方块的折射率为2.22~2.28，二氧化硅衬底的折射率为1.45~1.46。

3.根据权利要求1所述的双光束偏折器，其特征在于，在整个超表面阵列中，所有超表面单元的二氧化硅衬底连接为一体，各个超表面单元的铌酸锂晶体方块分别独立设置于对应的二氧化硅衬底区域上方且互不接触。

4.根据权利要求3所述的双光束偏折器，其特征在于，所述超表面单元中二氧化硅衬底的上表面呈正方形，所述铌酸锂晶体方块设置于二氧化硅衬底的上表面中部。

5.根据权利要求4所述的双光束偏折器，其特征在于，当工作波长为785nm时，每个单元阵列中包括沿x轴方向依次排列的8个超表面单元；其中，每相邻2个超表面单元之间具有相等的相位间隔，使得沿x轴方向依次排列的8个超表面单元按照π/4的相位梯度依次设置；其中，位于两端的超表面单元的透射相位分别为π/4和2π，位于中间的超表面单元的透射相位按照π/4的相位梯度依次设置。

6.根据权利要求5所述的双光束偏折器，其特征在于，在每个单元阵列中，8个超表面单元的透射相位依次设置为π/4、π/2、3π/4、π、5π/ 4、3π/2、7π/4、2π；通过改变各超表面单元中铌酸锂晶体方块在x轴方向上的边长，调整各超表面单元的透射相位，以满足上述条件。

7.根据权利要求6所述的双光束偏折器，其特征在于，超表面单元中，铌酸锂晶体方块在x轴方向上的边长通过以下方法确定：

技术总结
本发明提供的一种双光束偏折器，包括若干个超表面单元；n个超表面单元沿x轴方向依次排列形成单元阵列；所述单元阵列在xoy平面上沿x轴和y轴周期性排列，形成超表面阵列；每个超表面单元分别包括二氧化硅衬底以及刻蚀在二氧化硅衬底上的铌酸锂晶体方块。本发明的结构简单，且所采用的材料天然具备损耗低、易于加工的特点，大幅降低了双光束偏折器的制作成本；同时，具有可调控性强的优点。

技术研发人员：史信荣,李俊希,姜欢,叶亮华
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16