一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置

1.本发明属于光波偏振态测量的显示技术领域，具体涉及一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置。


背景技术：

2.偏振是光波的一个基本物理参数，代表了光波的矢量特性，决定了光与许多物质相互作用的方式。精确测量光波的偏振态在偏振光谱、椭偏仪、传感、成像、通讯和量子信息探测方面具有重要的应用价值。一个完全偏振态，由其所包含的任意两个正交偏振分量间的唯一振幅比a和相位差δφ直接决定。然而，实际上难以获得相位差导致直接测量偏振态比较困难。传统的偏振态测量方法利用块状且精密的光学元件改变或分解入射光的偏振态，通过一系列强度测量，间接测量偏振态。
3.超表面是二维超材料，由超薄亚波长人工微结构在界面上通过特定的排列组合而成，具有高效的光波调控特性。超表面能够在亚波长尺度内局域化操控光波相位、振幅和偏振，使其在复杂波前调控方面具有重要的应用前景，其中最具代表性的应用之一是超表面全息。然而，大多数超表面全息工作，主要集中在设计生成高质量、功能复杂的全息图像上，很少有将全息图像进一步应用于实际的器件。
4.因此，为了解决上述问题，本发明提供一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，通过对超表面周期单元尺寸的结构优化与超表面光波的波前分布调控，实现对入射光偏振态直接测量的显示装置。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明设计了一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，目的在于针对现有超表面集中应用于生成高质量、功能复杂的全息图像，提供对超表面周期单元尺寸的结构优化与超表面光波的波前分布调控，实现对入射光偏振态直接测量的显示装置。
6.为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，包括由激光器、起偏器、波片、小孔光阑、超表面样品和接收屏，其特征在于：所述接收屏右侧从左至右依次放置光阑、波片、起偏器和激光器，接收屏左侧放置超表面样品；所述小孔光阑上设置有小孔。
7.进一步的，所述波片为四分之一或二分之一波片；所述该超表面样品基于金属棒-介质-金属三层结构，可在宽波段500-800nm工作。
8.进一步的，所述超表面样品表面具有周期性衍射结构，该周期性衍射结构以二维阵列进行排列，每个结构单元旋转不同的角度，以产生对应的几何相位。
9.进一步的，所述一个周期性衍射结构与接收屏上的一个子像素对应，一个周期性衍射结构具有多个衍射区域；所述每一衍射区域具有不同的衍射光栅结构，其对光源发射的光线具有不同的衍射角，衍射光栅结构与衍射角的关系遵从光栅方程。
10.进一步的，所述任意一个周期性衍射结构中，至少存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上不与其他子像素重叠的位置。
11.进一步的，所述子像素阵列的行和列方向上，相邻像素对应的两个周期性衍射结构中，至少分别存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上同一位置；所述散射层向前散射光线，将光线散射到空间中各个方向。
12.进一步的，所述超表面样品采用三层结构材料从上到下依次是金属金、二氧化硅、金属金，所述三层结构材料下方为硅衬底。
13.本发明的另一目的在于提供一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置的使用方法，其特征在于：
14.s1：在激光器7发射的宽波段(500-800nm)激光照射下，激发光经起偏器、波片、小孔光阑、小孔，打到样品上，在接收屏上观察到圆环；
15.s2：通过改变起偏器和波片的角度，可以产生不同偏振态的光，当入射的光为线偏振光时，圆环上出现了明显的开口，与两个开口连线垂直的方向，即光的主轴方向；
16.s3：通过不同偏振态的光入射样品，从左至右依次为右旋，椭偏右旋，相同偏振态左旋右旋相互叠加，椭偏左旋，左旋；可以看出除了左旋和右旋外，其他情况下圆环都呈现开口状态。
17.本发明的另一目的在于提供一种超表面样品的制备方法，其特征在于：
18.s1：用丙酮和异丙醇超声清洗硅衬底10分钟，然后用去离子水冲洗并真空干燥；
19.s2：用电子束蒸发器将金层(150nm)沉积到硅衬底上，接着沉积二氧化硅层(85nm)；
20.s3：用正性聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)抗蚀剂在sio2层上1000rpm旋涂60s，然后1500rpm旋涂15s，生成厚100nm的pmma膜；
21.s4：将样品放在180℃的热板上烘烤5分钟；
22.s5：使用电子束蚀刻在pmma薄膜中定义所需要的纳米图案；
23.s6：样品在甲基异丁基酮:异丙醇＝1:3溶液中显影45s，再在异丙醇中显影45s；
24.s7：用电子束蒸发法在显影样品上沉积一层金(30nm)；
25.s8：最后，在丙酮中进行剥离，得到样品。
26.本发明的有益效果是：
27.本发明设计了一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，针对现有超表面集中应用于生成高质量、功能复杂的全息图像，提供对超表面周期单元尺寸的结构优化与超表面光波的波前分布调控，实现对入射光偏振态直接测量的显示装置；具有测量快速、直观、便利、显示图像强度均匀、误差小的特点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明装置简图；
30.图2是本发明实验效果图；
31.图3是本发明实验效果图；
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、样品；2、小孔；3、接收屏；4、小孔光阑；5、波片；6、起偏器；7、激光器。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.参阅图1至图3所示，一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，包括由激光器7、起偏器6、波片5、小孔光阑4、超表面样品1和接收屏3，其特征在于：所述接收屏3右侧从左至右依次放置光阑、波片、起偏器6和激光器7，接收屏3左侧放置超表面样品1；所述小孔光阑4上设置有小孔2。
37.所述波片5为四分之一或二分之一波片5；所述该超表面样品1基于金属棒-介质-金属三层结构，可在宽波段500-800nm工作。
38.所述超表面样品1表面具有周期性衍射结构，该周期性衍射结构以二维阵列进行排列，每个结构单元旋转不同的角度，以产生对应的几何相位。
39.所述一个周期性衍射结构与接收屏3上的一个子像素对应，一个周期性衍射结构具有多个衍射区域；所述每一衍射区域具有不同的衍射光栅结构，其对光源发射的光线具有不同的衍射角，衍射光栅结构与衍射角的关系遵从光栅方程。
40.所述任意一个周期性衍射结构中，至少存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上不与其他子像素重叠的位置。
41.所述子像素阵列的行和列方向上，相邻像素对应的两个周期性衍射结构中，至少分别存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上同一位置；所述散射层向前散射光线，将光线散射到空间中各个方向。
42.所述超表面样品1采用三层结构材料从上到下依次是金属金、二氧化硅、金属金，所述三层结构材料下方为硅衬底。
43.实施例2
44.使用方法：
45.s1：在激光器77发射的宽波段(500-800nm)激光照射下，激发光经起偏器6、波片5、小孔光阑4、小孔2，打到样品1上，在接收屏3上观察到圆环；
46.s2：通过改变起偏器6和波片5的角度，可以产生不同偏振态的光，当入射的光为线偏振光时，圆环上出现了明显的开口，与两个开口连线垂直的方向，即光的主轴方向；
47.s3：通过不同偏振态的光入射样品1，从左至右依次为右旋，椭偏右旋，相同偏振态左旋右旋相互叠加，椭偏左旋，左旋；可以看出除了左旋和右旋外，其他情况下圆环都呈现开口状态。
48.实施例3
49.超表面样品1的制备方法：
50.s1：用丙酮和异丙醇超声清洗硅衬底10分钟，然后用去离子水冲洗并真空干燥；
51.s2：用电子束蒸发器将金层(150nm)沉积到硅衬底上，接着沉积二氧化硅层(85nm)；
52.s3：用正性聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)抗蚀剂在sio2层上1000rpm旋涂60s，然后1500rpm旋涂15s，生成厚100nm的pmma膜；
53.s4：将样品1放在180℃的热板上烘烤5分钟；
54.s5：使用电子束蚀刻在pmma薄膜中定义所需要的纳米图案；
55.s6：样品1在甲基异丁基酮:异丙醇＝1:3溶液中显影45s，再在异丙醇中显影45s；
56.s7：用电子束蒸发法在显影样品1上沉积一层金(30nm)；
57.s8：最后，在丙酮中进行剥离，得到样品1。
58.单元周期为300nm，上层金属棒尺寸为220nm*80nm。样品1单元为1000*1000，总尺寸为300um*300um。
59.实施例4
60.本发明的目的在于针对现有超表面集中应用于生成高质量、功能复杂的全息图像，而利用超表面对偏振态的直接测量并未涉及，本发明提供对超表面周期单元尺寸的结构优化与超表面光波的波前分布调控，实现对入射光偏振态直接测量的显示装置。
61.提出了一种利用环形棱锥透镜相位，螺旋相位及gerchberg
–
saxton全息相位相结合的设计算法，采用pancharatnam
–
berry相位的复合相位控制方法将相位分布编码在超表面上，该超表面对偏振敏感，可实现对入射光偏振态的直接测量。基于环聚焦透镜的相位分布函数：
[0062][0063]
其中，λ为自由空间波长，β控制圆环的大小。将螺旋相位加载到不同的环带上，生成光束的每个环具有不同的轨道角动量。加载螺旋相位环聚焦透镜的透过率函数：
[0064][0065]
其中a为振幅，θ为方位角，l为环的轨道角动量量子数(拓扑荷数)。计算具有拓扑荷数等于1的螺旋相位环聚焦透镜所需的相位分布；目标图像的全息相位通过g-s算法得出，最后将全息相位 环棱锥透镜相位 螺旋相位叠加，最终编码于超表面。
[0066][0067]
其中为全息相位，为环棱锥透镜相位，为螺旋相位，为了利于实验观测，加入离轴相位圆环出现在光源的两测。
[0068]
当一束完全偏振光入射时，其包含的两个圆偏振分量会分别生成这两个图像，对于圆环区域，由于存在相位差，不同角度的圆环区域会重新组合出不同的偏振态，通过分析这个偏振态变化，就可得到入射光包含的两个圆偏振分量间的相位差δφ。图像通过线偏振片，对圆环强度沿角向的变化分布进行傅里叶分析，即可获取相位差δφ。此外，该相位
差δφ也可进一步配合角度盘，通过观察最大值和最小值的角度直观、粗略地获取。两个圆偏振分量间的振幅比a，则通过测量圆环内部偏上和偏下的两个圆盘的强度值获取。根据测得的a和δφ直接分析入射光的偏振态。另外，由于pancharatnam
–
berry相位的无色散特性，该全息超表面可以实现500-800nm范围内宽波带的偏振态测量。
[0069]
实验发现，在多个波长处，根据测量图像分析得出的偏振态与根据模拟图像得到的偏振态、及理论入射偏振态的圆偏振相位差、斯托克斯参数均吻合较好，证明了该检测方法，具有测量快速、直观、便利的特点。另外，采用复合超表面全息逐行交错的设计方法，有效避免了光斑强度照射不均带来的测量误差。
[0070]
超表面可以灵活调控光束相位，利用超表面设计了具有环形结构和螺旋相位的环聚焦透镜，生成同轴传输时具有不同轨道角动量的圆环光束。这类光束实现了高密度信息传输和光束主轴的直接测量。
[0071]
实施例5
[0072]
本发明设计了一种利用超表面进行光波偏振态测量的显示装置，针对现有超表面集中应用于生成高质量、功能复杂的全息图像，提供对超表面周期单元尺寸的结构优化与超表面光波的波前分布调控，实现对入射光偏振态直接测量的显示装置；具有测量快速、直观、便利、显示图像强度均匀、误差小的特点。
[0073]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0074]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。