宽波段大视角液晶偏振转换器研究进展

偏振转换器能够通过对入射光偏振态的动态调控间接实现几何相位型多功能光学器件光学响应特性的动态可调。基于液晶的偏振转换器具有调控效率高、调控面积大、紧凑化程度高等诸多优势,是目前应用较为广泛的偏振转换器。本文围绕偏振转换效率、工作波段、视场角3个核心参量,系统介绍了液晶偏振转换器最新的研究进展,分别给出了典型液晶偏振转换器和大视角宽波段液晶偏振转换器的详细结构和性能表现,同时介绍了液晶偏振转换器工作波段和视角的拓展方法。该项工作能够为液晶偏振转换器结构设计与应用提供必要的参考,同时为基于几何相位或新型相位调控模式的研究提供一些思路。

基于液晶包层平板光波导的偏振转换器设计

基于液晶的动态可调偏振转换器具有大调制幅度、低功耗的优势,在片上集成系统具有重要的研究意义。然而现有的液晶偏振转换器存在传输损耗大、液晶分子难取向的问题。为此,本文提出了一种基于液晶包层平板光波导的偏振转换器。首先基于液晶各向异性与4层波导理论,构建了满足液晶包层平板光波导物理特性的偏振转换分析模型,厘清偏振转换发生的内在机理为液晶分子场致转动引起的波导内模式耦合。而后通过精确求解耦合状态下波导模式的传播常数和光场分布,提出一种适合于液晶包层平板光波导的偏振转换分析方法,总结出偏振转换效率及最小转换长度的理论公式,并掌握了模式耦合对偏振转换效率的影响规律。最后综合优化各层波导参数得到了一组可实现高偏振转换效率的器件参数,分析了芯层厚度、取向层厚度和电极长度偏差对转换效率的影响。结果表明,本文设计的液晶包层平板光波导偏振转换器可在0.2 V的驱动电压变化下实现转换效率在0%~99.98%的连续可调。

基于方形开口环的太赫兹偏振转换器设计

基于方形开口环与金属棒组合的超材料结构,提出一种新型透射式太赫兹偏振转换器件。研究了基本结构单元的不同组合方式对偏振转换特性的影响,并通过优化结构单元的相关参数,提高了偏振转换功能的工作带宽。最终在0.45~1.30 THz范围内实现了高效的X-Y方向交叉极化偏振转换,有望用于集成化太赫兹偏振转换器件的研究和应用中。

基于圆形双箭头太赫兹线偏振转换器的设计及性能分析

设计了一种基于圆形双箭头(circular double-head arrow,CDHA)单元结构阵列的高效太赫兹波线偏振转换器,该偏振转换器是由CDHA单元结构阵列上下两侧添加一对正交金属光栅构成。该结构在0.36~1.51THz下偏振转换率超过99%,相对带宽为123%,正交金属光栅与CDHA形成一个法布里-珀罗腔,可以有效地阻止交叉偏振反射和共偏振透射,显著增大了交叉偏振波的透射。不同线偏振波沿不同方向入射的透射特性仿真计算结果表明,该偏振转换器还可以用作太赫兹波分束器和不同线偏振态选择器,在低频段0.36~1.02 THz范围内,该器件依然可以保持较高的偏振转换率。

基于线性偏振转换器的太赫兹波段超宽带成像系统设计

基于偏振转换的物理过程,提出了一种由金属光栅、L型金属贴片和介质板组成的超宽带高效线性偏振转换器。利用有限元数值模拟软件CST对偏振转换特性进行了研究。数值结果表明,偏振转换器在0.5~1.8 THz工作,相对带宽达到113%,传输系数大于0.87,偏振转换率接近100%。利用Matlab建立了Fabry-Perot干涉模型,验证了理论分析结果与数值结果的一致性。通过改变该偏振转换器的结构参数,构造“1”“0”幅度编码超表面。该编码超表面在线极化太赫兹波入射下,实现了“IUTL”的空间成像功能。所设计的超表面对于入射波的极化方向不敏感,并展现出超宽带、高传输效率的特性,在无线通信领域具有潜在的应用价值。

电控液晶透镜的偏振转换和聚焦研究

【目的】针对径向偏振光束的产生和聚焦问题,提出了一种具有孔图案化电极的电控液晶偏振转换透镜。【方法】首先,装置采用扭曲径向液晶结构将线性偏振光旋转产生径向偏振光;然后,通过施加固定频率的驱动电压,使孔图案化电极和公共电极之间产生梯度电场,从而诱导液晶分子发生重定向;最后,在液晶层中形成具有梯度折射率的偏振转换透镜,将产生的径向偏振光进行聚焦。【结果】液晶偏振转换器产生了具有高度对称特性的径向偏振光,通过电控可以得到焦距约为116 mm,焦斑直径约为65.7μm的聚焦效果,实现了偏振转换和聚焦功能的集成化。【结论】本电控液晶偏振转换透镜结构简单,便于制作,光学性能稳定,为同时实现径向偏振光束的产生与聚焦提供了可靠的研究方案。

基于二氧化钒超材料的带宽可调太赫兹偏振转换器

设计了一种基于二氧化钒(VO_(2))超材料的带宽可调太赫兹(THz)偏振转换器,在考虑工作频率、激励方式和微加工工艺等条件下,利用有限积分技术对该器件的性能进行了设计和仿真。器件的单元结构是一个5层周期性阵列结构,在x和y方向上的周期为100μm,自上而下分别是金属倾斜分裂环谐振器(OSRR)、第一聚酰亚胺(PI)隔离层、VO_(2)薄膜、第二PI隔离层和金属底板。仿真结果表明:当VO_(2)处于绝缘态时,在0.8 THz频率内可实现宽带交叉偏振转换效果,偏振转换率(PCR)高于90%;当VO_(2)从绝缘态转变为金属态,在2个谐振频率附近可实现窄带交叉偏振转换,PCR接近100%。通过分析表面电流分布,发现VO_(2)薄膜相变导致器件工作的物理机制发生变化,从而实现了带宽可调的偏振转换功能。所提设计方法为反射式偏振转换器件的带宽调控提供了一种新思路。

相干控制的布洛赫表面波偏振转换

光子结构在多光束的相干激发下,通过调控光束间的干涉效应可以对结构的光学响应进行实时的控制.本文研究了介质多层膜结构中相干控制的布洛赫表面波的偏振转换过程.通过在介质多层膜的顶层引入凹槽结构,可以促使布洛赫表面波进行偏振转换.当两束相干的布洛赫表面波分别从结构的左右两端入射到凹槽结构上时,通过设计结构偏振转换系数的相位差和入射相干光束间的相位延迟,不仅可以对布洛赫表面波的偏振转换效率进行动态调控,还可以对结构偏振转换的输出端口进行选择,从而可以实现可控端口传输的表面波偏振转换器件.本文通过改变凹槽的间距,实现了对结构偏振转换系数相位差的设计,通过严格的电磁场仿真验证了本文所设计结构中布洛赫表面波偏振转换的相干控制.本文结果丰富了布洛赫表面波相关器件的研究,在片上集成的光子回路中有着潜在的应用.

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4—4.5μm波段偏振转换率大于60%,在3—5μm光谱范围内的转换对比率大于10~4.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.

飞秒激光直写偏振转换器件和几何相位器件(特邀)

光学器件的微型化和集成化是当前研究的热点,其中利用微纳结构实现局域电磁改性的超构光学更是引人关注。本文从微纳结构的制备出发,总结了利用超衍射精密加工的飞秒激光直写技术,制备偏振转换器件和几何相位器件的工作。介绍了微纳结构改性的物理机制,飞秒激光直写光刻胶、飞秒激光烧蚀金属薄膜、飞秒激光诱导纳米光栅等手段在偏振转换器件和几何相位器件制备方面的进展,展望了飞秒激光微纳加工技术在超构光学器件制备方面的挑战。

1550nm-VCSELs在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性

基于自旋反转模型,研究了1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性.结果表明:正交光注入下的从激光器会随着注入强度的增加产生偏振转换.在归一化注入电流较小时,改变反馈强度,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律不同的变化;改变频率失谐,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律相同的变化.

基于斜极化法的电光聚合物光波导偏振转换器

采用斜极化法研制了电光聚合物光波导偏振转换器 ,分析并设计了器件的 4 5°斜角电极化结构 ,并基于 DR1/PMMA电光聚合物材料 ,对器件进行了制作 .所研制的偏振转换器 ,由 TE模到 TM模和由 TM模到 TE模的偏振模转换效率分别约为 93.6 %和 95 .1% ,偏振转换周期电压约为 380 V.

局域表面等离子体谐振辅助的高效率宽频带可调谐偏振转换超表面

结合狄拉克半金属研究了一种基于各向异性构型的可调谐宽频带太赫兹偏振转换超表面,其中的狄拉克半金属线阵列有利于费米能的调控.研究结果表明,该超表面可以实现宽带高效率的偏振转换,在谐振模式处具有半波片特性.这种转换特性源于局域表面等离子体激元谐振的激发和结构自身的各向异性.当入射角在0°—40°范围内变化时,能保持高效的宽带偏振转换特性,大于40°后,宽带转换逐渐转变为双带或多带转换.此外,发现AlCuFe的费米能从65 meV增大至140 meV过程中,偏振转换效率能维持在很高水平,并且转换性能由单带转换变为宽带转换再变为带较宽的宽带转换与带较窄的单带转换.同时,通过讨论结合了不同类型狄拉克半金属的超表面,得出了狄拉克半金属的金属性越好,相应超表面的宽带偏振转换性能越优的结论.最后,基于类法布里-珀罗谐振腔的多重干涉理论对数值结果进行了验证.

基于液晶的偏振转换器数值模拟研究

进行了液晶可变相位延迟器相位调制特性的数值计算。利用Jones矩阵法推导了三片式、方位角分别为0°,45°和0°的可变相位延迟器组成的偏振转换器Jones矩阵表示形式。利用该矩阵计算了电控液晶偏振转换器偏振调制,计箅结果用Poincare图示法表示、结果表明利用该三片式偏振转换器可以实现全范围偏振态调节,且可以实现任意输入偏振态到指定偏振态的变化,并给出了实现上述偏振态转换时偏振转换器各个可变相位延迟器相位延迟参数及电压参数。

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz^1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。

基于SPGD算法的非保偏-保偏光自适应偏振转换

报道了一种基于随机并行梯度下降（SPGD）算法的高消光比非保偏～保偏光自适应偏振转换系统。该系统利用偏振控制器对非保偏光的偏振分量进行直接控制，通过SPGD算法对输出的偏振消光比进行优化，最终实现了自适应的非保偏一保偏光的偏振转换。理论上，结合SPGD算法和偏振控制器的原理，对系统进行分析，建立了非保偏一保偏光自适应偏振转换的数学模型。实验上，利用该系统实现了非保偏到保偏光的转换，获得了14．1dB的线偏振光输出；并利用该系统将任意方向（O～360°）偏振态的线偏振光转换为期望偏振态的高消光比线偏光，其输出线偏光的平均消光比约为12dB。

基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究

提出了一个基于谐振环结构的宽带且高效的太赫兹线偏振转换器.该结构由金属-电介质-金属三层构成,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层,底部为金属板.实验结果表明,该结构可以在0.59-1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90°,转换率超过80%.通过计算该结构在所研究的频率范围内反射光的偏振角和椭圆角,证实了该结构可以在较宽的频率范围内实现高效的线偏振转换.对该结构在偏振转换率高的频率下表面电流和电场进行仿真,分析了高偏振转换率和宽带的机理.同时,研究了该结构的偏振转换率对入射角以及偏振角的依赖性,结果表明该结构在0°-30°入射角范围内、-10°-10°偏振角范围内均有很好的偏振转换性能.

基于V形超表面的透射式太赫兹线偏振转换器

提出了一种基于V形单元结构阵列的太赫兹波段宽带透射式偏振转换器,该偏振转换器由光栅-V形超表面-光栅组成,顶层、底层是一对相互正交的光栅,中间层为V形超表面,层与层间被聚酰亚胺隔开.该结构在0.35—1.11 THz频段内可以实现交叉偏振透射率达到80%以上,偏振转换率达到99%以上.对该结构在交叉偏振透射率高和低频率处的表面电流和电场进行仿真,发现相邻V形结构间会产生偶极振荡,在透射率高的频率处,相邻V形结构间电场具有相近的值,而在透射率低的频率处,相邻V形结构间电场具有相反的值.同时,还分别研究了V形阵列的单层结构和V形阵列后放置光栅的双层结构对于垂直入射x偏振太赫兹波的响应,并分析了引起高偏振转换率和宽带的物理机理.

双面金属包覆单轴晶体波导的偏振转换研究

利用转移矩阵方法计算了双面金属包覆单轴晶体波导结构中的色散曲线、反射谱。结果表明,双面金属包覆结构使波导可以被自由空间光场激发;单轴晶体的光轴取向能对该结构中的波导模式进行调控,使入射光波中的E_y、E_z分量发生相互转换耦合,从而在波导层中形成杂化模。通过调节耦合金属层厚度可控制出射光偏振状态,实现TE线偏振入射光向TM线偏振反射光的转换以及线偏振入射光向圆偏振反射光的转换。

基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器

提出了一种基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器。该偏振转换器采用两个不同尺寸的十字型金属缝阵列结构形成两个线偏振变圆偏振转换频点,从而实现双频的太赫兹波线偏振变圆偏振转换。计算结果表明,设计的偏振转换器能在0.760THz和1.068THz将一束线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。该双频的线偏振变圆偏振转换器仅由单层的超表面组成,结构简单易于制备,因而为操控电磁波和设计新颖的太赫兹波器件提供了参照。