一种基于微纳结构的偏振光调制器

本发明涉及光学，具体涉及一种基于微纳结构的偏振光调制器。

背景技术：

1、偏振是光的基本属性之一，在光通信、光纤传感和量子信息等领域，光的偏振特性精确调控对于实现高性能的信息传输、处理和探测至关重要。对光的偏振特性调控包括，偏振光的产生、偏振态的转换以及偏振度的调制，以上这些偏振特性调控需要用到多种不同类型的偏振光调制器。传统的偏振光调制器，主要利用材料的双折射特性，改变光的正交相位差，从而改变光的偏振特性。然而，传统双折射材料的偏振光调制器存在偏振调制效率低、体积大的不足，限制了偏振调制器件性能。与传统的偏振光调制器的双折射材料相比，微纳结构对光的偏振调制主要依赖于结构形状、尺寸以及排列方式，基于微纳结构的偏振光调制器具有更高的效率、更小的体积以及更宽的调制带宽的优势。

2、在微纳结构的偏振光调制器设计上，研究者们已经开发出了多种具有不同功能的微纳结构偏振光调制器，比如微纳结构光学半波片、退偏器。基于微纳结构的偏振光调制器的关键组成部分是各向异性光学响应的微纳结构，这些微纳结构按照不同的规律排列分布，实现不同的偏振调制功能。目前，组成微纳结构光学退偏器的微纳结构偏转角度随机分布，随机改变出射光在不同位置的偏振方向，可以满足出射光包含多种不同偏振方向的偏振光，实现光学退偏功能。然而，这种随机性导致部分相邻微纳结构间的偏转角度存在显著差异，当入射光照射到这些不同偏转角度的微纳结构上时，会产生不同的光学响应导致相互干扰，会降低退偏器的性能，包括透射率降低以及偏振调制性能下降；基于此，现有技术又提出一种偏振光调制器，该偏振光调制器由微纳结构和衬底组成，其排列方式为沿着行和列两个方向，按照相邻微纳结构的偏转角度线性或非线性的方式递增或者递减排列，降低了相邻微纳结构的偏转角度差异，可以提升退偏器的透射率。但是这种偏转角度有序变化的微纳结构会产生（pancharatnam–berry）pb相位，在线偏振光入射情况下，pb相位会产生额外相位梯度，使得出射光分束为两束光，分别是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，会降低退偏器的偏振调制性能。

3、综上，现有技术只能提升偏振光调制器的透射率，或者提高偏振光调制器的偏振调制性能，从而使得现有的偏振光调制器存在不能在提升偏振光调制器的透射率的同时提高偏振光调制器的偏振调制性能的问题。

4、基于现有偏振光调制器的不足，本发明提出一种新的微纳结构排列方式，在提高偏振光调制器透射率的同时提高退偏器的偏振调制性能。

技术实现思路

1、本发明提出一种新的微纳结构排列方式，以解决现有技术只能提升偏振光调制器的透射率，或者提高偏振光调制器的偏振调制性能，从而使得现有的偏振光调制器存在不能在提升偏振光调制器的透射率的同时提高偏振光调制器的偏振调制性能的问题。

2、本发明的一种基于微纳结构的偏振光调制器采用如下技术方案，包括：

3、衬底，其上设置有至少一个微纳结构单元；

4、微纳结构单元包括多个微纳结构模块，多个微纳结构模块呈阵列设置；

5、每个微纳结构模块包括多个微纳结构，多个微纳结构呈阵列设置；

6、其中，不同微纳结构模块在衬底上排列组成微纳结构单元，同一个微纳结构模块内的每个微纳结构的偏转角度相同，不同微纳结构模块的微纳结构的偏转角度不同，且偏转角度取值随机。

7、优选地，微纳结构在与衬底平行的截面形状具有相互垂直的长轴和短轴，截面形状为长方形、c形、l形或者椭圆形中的一种，其偏转角度为微纳结构的长轴方向与水平方向的夹角。

8、优选地，不同的偏转角度按照大小进行排列构成的偏转角度序列为一个等差数列或者多个等差数列。

9、优选地，所有等差数列的公差小于10°。

10、优选地，相邻的微纳结构的间距小于入射光的波长；微纳结构的高度尺寸的取值范围为入射光波长的0.5～1.5倍；微纳结构的长度尺寸的取值范围为相邻两个微纳结构间距的0.6～0.9倍；微纳结构的宽度尺寸取值范围为相邻两个微纳结构间距的0.2～0.5倍。

11、优选地，衬底的材料为在可见光波段或者近红外波段透光的材料。

12、优选地，微纳结构采用半导体、电介质或金属材料。

13、优选地，微纳结构模块中微纳结构的个数大于或者等于4。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明将同一个微纳结构模块内的所有微纳结构设置成相同偏转角度，相同偏转角度的微纳结构光学响应相同，不会造成相互干扰，从而降低相邻微纳结构的相互干扰，提升偏振光调制器的透射率。此外，本发明将不同微纳结构模块在衬底上排列组成微纳结构单元，不同微纳结构模块的微纳结构的偏转角度不同，且偏转角度取值随机，每个微纳结构模块可以生成随机方向的线偏振光，使得偏振光调制器的出射光包含各个方向的线偏振光，以提高偏振光调制器的偏振调制性能。综上所述，本发明在提升偏振光调制器的透射率的同时提高偏振光调制器的偏振调制性能。

技术特征：

1.一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，微纳结构（4）在与衬底（1）平行的截面形状具有相互垂直的长轴和短轴，其偏转角度为微纳结构（4）的长轴方向（5）与水平方向的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，截面形状为长方形、c形、l形或者椭圆形中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，不同的偏转角度按照大小进行排列构成的偏转角度序列为一个等差数列或者多个等差数列。

5.根据权利要求4所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，所有等差数列的公差小于10°。

6.根据权利要求2所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，相邻的微纳结构（4）的间距小于入射光的波长；微纳结构（4）的高度尺寸的取值范围为入射光波长的0.5～1.5倍；微纳结构（4）的长度尺寸的取值范围为相邻两个微纳结构（4）间距的0.6～0.9倍；微纳结构（4）的宽度尺寸取值范围为相邻两个微纳结构（4）间距的0.2～0.5倍。

7.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，衬底（1）的材料为在可见光波段或者近红外波段透光的材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，微纳结构（4）采用半导体、电介质或金属材料。

9.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的偏振光调制器，其特征在于，微纳结构模块（3）中微纳结构（4）的个数大于或者等于4。

技术总结本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于微纳结构的偏振光调制器，包括：衬底，衬底上设置有至少一个微纳结构单元；微纳结构单元包括多个微纳结构模块，多个微纳结构模块呈阵列设置；每个微纳结构模块包括多个微纳结构，多个微纳结构呈阵列设置；其中，不同微纳结构模块在衬底上排列组成微纳结构单元，同一个微纳结构模块内的每个微纳结构的偏转角度相同，不同微纳结构模块的微纳结构的偏转角度不同，且偏转角度取值随机。本发明的偏振光调制器的微纳结构排列方式，可以减小微纳结构间的干扰，提升出射光的透射率，且出射光包含各个方向的线偏振光，降低了透射光的偏振度，提升了偏振光调制器的退偏性能。技术研发人员：黎永前,余洋,李武珀,王斌斌受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9