一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器

本发明属于新型人工电磁材料和太赫兹科学，具体涉及一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器及利用该太赫兹偏振探测器进行单次偏振探测的方法。

背景技术：

1、随着超快光子学和半导体技术的进步，太赫兹科学与技术在近几十年得到了快速的发展。太赫兹波由于其独特的电磁特性，如穿透性强、单光子能量低、光谱分辨能力等，在无线通信、物质检测、以及成像等领域应用广泛。太赫兹技术的发展离不开太赫兹源、太赫兹探测器以及各种功能器件的开发和应用。

2、超表面，是指由亚波长人工微结构在界面处的阵列排布组成的一种物质，即二维形式的超材料。它对电磁波操控的本领不仅在于传输控制，还可实现对电磁波其他参数的调控，如振幅、相位、偏振、频率和波前等。由于其强大的电磁调控能力，已经在各个电磁波段均开发出了相应的电磁波调制器件。已经有研究者在太赫兹波段提出了滤波器、吸收器、偏振转换器、波前调制器等等。

3、偏振作为电磁波的一个基本参数，在通信、成像、传感等领城都发挥着重要的作用。近年来，研究者们开发了一些基于超表面的偏振探测器件，如多焦点反射式超透镜、金属波导阵列或是具有离轴双焦点的超表面。但这些超表面偏振探测方案在结构上相对复杂，需要多次测量才能获得完整的偏振参数。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器，建立起涡旋模式与入射场偏振参数之间的联系，从而快速获得完整的偏振参数。同时本发明还进一步公开了利用该太赫兹偏振探测器进行单次偏振探测的方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：

3、一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器，所述探测器为超表面，所述超表面包括呈半波片状的超表面基底，所述超表面基底上分布各向异性矩形柱。优选地，所述超表面通过设计其相位分布，在透射的纵向偏振场中产生拓扑荷分别为+1和-1的涡旋光束，建立起这两种涡旋光束与入射波中圆偏振分量的对应关系。

4、优选地，所述超表面在圆偏振入射下的相位分布满足以下条件：

5、

6、式中，拓扑荷取0是为了产生拓扑荷为0的聚焦光斑，f是该超表面器件的焦距，r是极坐标系下的半径，φ是方位角，λ是设计频率对应的波长。代表在左旋圆偏振波入射下透射的右旋圆偏振电场的相位分布，代表在右旋圆偏振波入射下透射的左旋圆偏振电场的相位分布。

7、本发明公开的利用所述的太赫兹偏振探测器单次偏振探测的方法，仅需要探测透射场的纵向电场，通过分析透射场中纵向偏振涡旋的模式纯度，建立起涡旋场的模式与入射场的偏振参数之间的联系，单次测量即可完成。

8、进一步地，本发明利用上述太赫兹偏振探测器单次偏振探测进行单次偏振探测的具体步骤为:

9、1)获取任意偏振波入射时，透射场中焦平面上的强度和相位分布；

10、2)计算出纵向偏振涡旋场的模式纯度，进而求出偏振态的椭偏度；

11、3)计算出纵向偏振涡旋叠加态的取向角，从而得到偏振态的方位角；

12、4)根据已知的椭偏度和方位角，求出其余的偏振参数以及斯托克斯参数，用斯托克斯参数和偏振椭圆表征检测到的偏振态。

13、在本发明构思下，步骤4)中，也可以根据已知的椭偏度和方位角，求出其余的偏振参数以及全部的斯托克斯参数用来表征检测到的偏振态。

14、本发明所述的太赫兹偏振探测器是由各向异性矩形柱构成的超表面，采用类似半波片的超构原子，在左旋或右旋圆偏振入射下，具有高效的偏振转化。通过改变矩形柱的长度、宽度以及旋转角度，从而对入射的圆偏振波进行独立的相位调控。

15、该超表面在圆偏振入射下的相位分布被设计成：

16、

17、这样设计的目的是为了在左旋和右旋圆偏振波入射下，在纵向场中产生拓扑荷分别为+1和-1的涡旋光束。对于任意偏振波入射，获取透射的纵向偏振电场的数据，计算涡旋场的模式纯度，可根据拓扑荷为+1和-1的模式纯度计算出入射偏振场的斯托克斯参数s3以及椭偏角。根据纵向涡旋叠加态的取向角计算出入射偏振态的方位角。根据这两个参数可以计算出其余的偏振参数，表征出入射的偏振态。

18、与现有技术相比，本发明的技术优势体现在于：

19、本发明采用的基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器，采用的超表面可以使用标准光刻和等离子体刻蚀技术制备得到，利用紧聚焦状态下，由于自旋轨道相互作用，建立起所产生的纵向偏振涡旋与入射场偏振参数之间的联系。所提出的方法避免了复杂的测量操作，可以快速实时地检测入射偏振态，克服了现有偏振探测方案在结构上相对复杂且需要多次测量才能获得完整偏振参数的不足；

20、该超表面器件由高阻硅组成，包含若干个透射阵列单元。当任意偏振的太赫兹波入射到该超表面时，会产生特定的相位响应，本发明通过建立所产生的纵向偏振涡旋场与入射偏振参数之间的联系，分析纵向偏振涡旋光场的强度、相位和模式纯度，获得完整的偏振参数。通过比较探测到的偏振态和入射偏振态，可以证明所提出的超表面器件用于太赫兹偏振探测的准确性；

21、本发明首次将涡旋模式分析应用到太赫兹偏振探测器，新颖、高效，在实时偏振探测、太赫兹阵列探测等领域具有很大的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器，其特征在于，所述探测器为超表面，所述超表面包括呈半波片状的超表面基底，所述超表面基底上分布各向异性矩形柱。

2.根据权利要求书1所述的太赫兹偏振探测器，其特征在于，所述超表面通过设计其相位分布，在透射的纵向偏振场中产生拓扑荷分别为+1和-1的涡旋光束，建立起这两种涡旋光束与入射波中圆偏振分量的对应关系。

3.根据权利要求书2所述的太赫兹偏振探测器，其特征在于，所述超表面在圆偏振入射下的相位分布满足以下条件：

4.利用权利要求1-3任一所述的太赫兹偏振探测器单次偏振探测的方法，其特征在于：仅需要探测透射场的纵向电场，通过分析透射场中纵向偏振涡旋的模式纯度，建立起涡旋场的模式与入射场的偏振参数之间的联系，单次测量即可完成。

5.根据权利要求书4所述的太赫兹偏振探测器单次偏振探测的方法，其特征在于，单次偏振探测的具体步骤为:

技术总结
本发明公开了一种基于纵向偏振涡旋模式分析的太赫兹偏振探测器，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。该超表面器件由高阻硅组成，包含若干个透射阵列单元。当任意偏振的太赫兹波入射到该超表面时，会产生特定的相位响应，本发明通过建立所产生的纵向偏振涡旋场与入射偏振参数之间的联系，分析纵向偏振涡旋光场的强度、相位和模式纯度，获得完整的偏振参数。通过比较探测到的偏振态和入射偏振态，可以证明所提出的超表面器件用于太赫兹偏振探测的准确性。该发明新颖、高效，在实时偏振探测、太赫兹阵列探测等领域具有很大的应用潜力。

技术研发人员：郑程龙,臧华平,于秋池,李玉辉
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15