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。

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。

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。

基于液晶可变相位延迟器的两片式线偏振态转换器研究

利用Jones矩阵法,理论上分析了方位角分别为0°和-45°的2个可变相位延迟器组成的偏振转换器可实现任意偏振态到水平线偏振态的转换,并推导出可变相位延迟器延迟量的表达式。利用自主研制的液晶相位可变延迟器的相位延迟,在1 V～2.7 V范围,根据驱动电压连续线性可调的特性,设计了两片液晶可变相位延迟器组成的偏振态转换器,实现了随机偏振态(Stokes参数为(-0.567,0.752,0.36))到水平偏振态(Stokes参数为(1,0,0))的可控调制,实验结果验证了理论分析结果。该偏振态转换器还可以实现其他任意偏振态到水平偏振态的调制。

基于狄拉克半金属的可调谐的太赫兹宽频带纯线偏振转换器

本文基于新型材料狄拉克半金属(Dirac semimetals,DSs),设计了一款高纯度宽频带可调谐线偏振转换器,偏振转换率(PCR)超过99%的相对带宽为15.72%。在频段5.25~6.14 THz内,椭度角接近0°,偏振方位角约等于-90°。这种转换性能主要是源于顶层超表面的各向异性和局域的表面等离子体激元谐振(LSPRs)的激发。此外,通过改变费米能的大小可以使所设计的偏振转换器在不同的频带范围内实现宽频带偏振转换。最后,通过半解析的方法对偏振转换特性进行了理论分析。该设计在太赫兹通信、成像、无损检测等领域具有一定的应用价值,同时为宽频带可调谐太赫兹线偏振转换器的设计提供了新思路。

基于级联铌酸锂泡克耳斯效应的偏振转换器

提出一个基于级联铌酸锂泡克耳斯效应的偏振转换器。偏振转换器由3个附有横向电极的铌酸锂晶体组成,通过调节3个外加电场可以将任意偏振态的入射光转换为任何想要的偏振态的光输出。利用线性电光效应的折射率椭球和耦合波理论研究入射光通过偏振转换器的偏振态变化,并举例说明偏振转换器如何将某一椭圆偏振光转换为任意偏振角的线偏振光、右(或左)旋圆偏振光和任意椭圆率的椭圆偏振光。

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。

基于铌酸锂薄膜的三波导偏振分束及模式转换器

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)对集成光学的发展有着重要意义,而高效的偏振分束与模式转换器件的设计是集成光学需要解决的一个基本问题。本文在充分考虑铌酸锂薄膜的研究现状及加工工艺的基础上,提出了一种基于铌酸锂薄膜的三波导偏振分束及模式转换器,该器件可将输入的TM0和TE0模式进行高效分离并将TE0模式转换为TE1模式。通过严格的设计与仿真优化,在片上同时实现了高效偏振分离及模式转换的功能。此外,通过增加交叉输出波导的宽度,所述器件方案可进一步扩展至其他高阶TE模的输出,具备良好的器件功能可扩展性。

基于硅-铌酸锂复合波导的偏振复用器设计

结合铌酸锂薄膜的研究现状,提出一种硅与铌酸锂复合集成的波导结构,该波导结构能够将硅基的成熟工艺与铌酸锂材料的特性结合,利用铌酸锂的高双折射特性,该波导结构在实现偏振控制器件方面具有一系列独特的优势.基于硅与铌酸锂复合的波导结构,设计了两类无源器件:定向耦合型偏振分离器和定向耦合型偏振分离转换器.分别采用光束传输法(BPM)和时域有限差分法(FDTD)对两类器件进行了仿真与性能分析,仿真计算结果表明,偏振分离器能够实现TE模和TM模的分离,且消光比高于30dB,在保证消光比大于10dB的情况下,其带宽约为70nm,工艺容差达100nm;偏振分离转换器能够实现TM模向TE模的转换,且消光比达20dB.两类器件均具有尺寸小、结构简单、工艺上易于实现等优点.