亚波长线栅太赫兹偏振分束器的研究

为了提高工作在太赫兹波段偏振分束器的性能,采用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺衬底上制作了亚波长周期金属线栅太赫兹偏振分束器,并以返波振荡器作为太赫兹辐射源搭建了偏振分束特性测试系统。当入射波频率为340GHz、入射角为45°时,测得在入射波偏振在0°～180°变化过程中,该偏振分束器具有良好的偏振分束特性,透射和反射的消光比分别为27.3dB和10.5dB,插入损耗分别为0.13dB和0.32dB;用太赫兹时域光谱系统测得偏振分束器在0.2THz～1.5THz频域内透射消光比大于18dB。结果表明,测试结果与时域有限元方法模拟结果基本吻合。     

具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器

针对亚波长光栅偏振分束器无法实现垂直出射光 、集成耦合效率低的问题,本文设计了 一种具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器,可实现偏振分束且能获得垂直出射光。器 件上 层采用光栅衍射理论设计了可实现偏振分束的周期亚波长光栅,下层通过严格耦合波法与波 前相 位控制理论设计了具有光束偏转功能的非周期亚波长光栅。基于有限元软件COMSOL对设计 的器 件进行仿真分析,结果表明该器件可分开TE与TM混合偏振光且能实现光束垂直出射,两种 偏振 光的总透射率在1550nm处超过了76.5%,偏振 消光比为14.0 dB。因此通过该偏振分束器不但可 以获得垂直出射的单偏振光,而且能有效提高垂直耦合型器件的工作效率,有望应用在面向 光纤通信的集成光电器件中。     

太赫兹波段反谐振光纤偏振分束器设计

偏振分束器是在光传感和集成光学等领域中非常重要的光学元器件,太赫兹波段被认为是未来大容量无线通信的载体.而双芯空芯反谐振光纤结构设计更加多变,对包层结构没有严格要求,能实现较高的性能以满足人们更多样化的需求,以双芯空芯反谐振光纤为基础设计适用于太赫兹波段的偏振分束器越来越值得深入研究.提出一种以环烯烃聚合物为基底材料的...     

倒梯形双层金属光栅式偏振分束器

为获得高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度容差的光栅结构,提出了一种在近红外波长区域工作的倒梯形双层金属光栅结构的偏振分束器。该结构引入了一层高折射率介质层,并且将光栅区的光刻胶斜切成倒梯形结构,新的设计增大了光栅的透射效率和消光比。使用严格耦合波分析方法,模拟和优化了偏振分束器的结构参数。结果表明,横磁波及横电波在1 290~1 840 nm波长范围内的透射效率和反射效率分别超过97%和95%。透射和反射的最大消光比分别为33 dB和53 dB。在波长为1 550 nm,入射角为-40~40时,光栅的透射和反射消光比都大于22 dB,达到了高性能偏振分束器的要求。相较于双层金属矩形光栅,所提出的倒梯形双层金属结构表现出更高的透射性与反射性,同时具有更好的设计灵活性。     

800 nm亚波长夹层式金属偏振分束光栅

为获得高性能的偏振分束光栅,设计了一种亚波长夹层式金属光栅结构,通过严格耦合波分析和遗传算法优化出最佳光栅结构。所设计的光栅在波长为800 nm时,0级衍射级次上TM偏振波的透射率和TE偏振波的反射率分别为98%和96.5%。在波长747 nm 854 nm,以及入射角-27 27范围内,光栅的透射和反射消光比都大于20 dB,达到了高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度的要求,数值分析表明该光栅对周期、槽深、覆盖层厚度具有优良的工艺容差。该光栅结构简单,性能稳定,对入射光损耗低,偏振分束效果明显,在光学偏振器件、激光器系统、偏振成像等领域具有广泛的应用前景。     

基于双层金属光栅的高消光比高透过率太赫兹偏振器

本文设计了一种基于双层金属亚波长光栅的太赫兹偏振器,其可以实现高透过率和良好消光比的特性.该偏振器是通过微加工技术在薄石英衬底的上下表面上制备而成的.实验和模拟结果均表明,双层金属光栅具有与单层金属光栅相近的透过率、更高的偏振度和更高的消光比.在0.3～2.0 THz的频率范围内,测量的透过率在83.4%到62.7%之间,偏振度大于99.7%,消光比大于29 dB.此外,设计的两种双层金属光栅偏振器件成功地应用于太赫兹时域光谱（TeraHertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS）系统中,获得了超过96.2%的偏振度和超过17.1 dB的消光比.通过调整金属亚波长光栅的参数（例如间距、线宽和金属膜厚度）,可以进一步提高透过率、偏振度和消光比等特性.     

全介质超周期光栅太赫兹波段宽带完美反射器设计

提出一种超周期全介质光栅结构,该类结构在单个周期内具有多个不同宽度亚单元光栅条,基于优化超周期单元结构的占空比、高度以及光栅条宽度等几何参数,实现太赫兹波段(1.2-2.0THz)宽带完美反射特性。利用S-参数反演算法,有效提取亚波长超周期全介质光栅结构的等效参数,包括等效折射率、等效介电常数、等效磁导率以及等效阻抗。分析超周期光栅结构等效参数,结合完美反射条件,证实该类光栅结构的宽带完美反射特性。基于矢量全波计算方法,数值模拟超周期光栅结构的电磁场分布,揭示其宽带太赫兹波完美反射Mie氏谐振特性和电磁耦合特性。     

亚波长偏振光栅的研究进展

亚波长偏振光栅(PGs)具有衍射效率高,偏振特性好,易于实现偏振、分束、增透、高反、相位延迟等多种功能的优点,且体积小、重量轻、性能稳定可靠,是一种优良的新型光学元件,有着巨大的应用前景.介绍了亚波长偏振光栅的发展概况与最新研究进展,亚波长偏振光栅的特点及衍射理论,并分别对会属亚波长偏振光栅和介质业波长偏振光栅进行了分析.     

太赫兹波段一维金属线栅的偏振特性研究

基于时域有限差分法(FDTD)对一维金属线栅结构在0.2～2.6THz波段的偏振特性进行了数值分析,研究了其结构参数如金属占空比、狭缝宽度以及线栅周期对相互垂直的两种偏振模式太赫兹波透射系数的影响。利用光刻和金属膜制备工艺,在1mm厚的高阻硅衬底上淀积了200nm厚的金膜,制成了一系列一维金属线栅结构。利用太赫兹时域光谱系统,实验测量了这些线栅结构的太赫兹透射特性,实验结果与模拟结果规律一致。结果表明:适当设计金属线栅周期,同时满足一定的金属占空比要求,其整体偏振和透射性能能够得到优化。金属线栅结构参数与其太赫兹偏振性能之间的关系为制造太赫兹偏振器提供了参考。     

垂直双空芯宽带太赫兹偏振分离器

针对太赫兹波的特点,利用折射率匹配耦合原理,设计了一种垂直双空芯结构的偏振分离器件。与传统的分离器件相比,它具有以下优点:（1）双芯折射率匹配度高,使得对应的偏振模式所需要的分离长度很短;（2）采用双空气纤芯结构,降低材料对太赫兹波的吸收损耗;（3）通过设计,令其发生耦合的两个纤芯相互垂直,从而使y偏振模的折射率曲线部分重合,大大扩展了工作带宽的范围,其工作带宽达到了0.17 THz。此外,由于器件结构简单对称,降低了光纤的设计和制备难度,使其在太赫兹网络中具有很高的应用价值。     

Symmetrical fully-etched and chirped beam splitter based on a subwavelength binary blazed grating

A novel symmetrical chirped beam splitter based on a binary blazed grating is proposed, which adopts the fully-etched grating structure compatible with the current fabrication facilities for CMOS technology and convenient for integration and manufacture process. This structure can realize nearly equal-power splitting operation under the condition of TE polarization incidence. When the absolutely normal incidence occurs at the wavelength of 1580 nm, the coupling efficiencies of the left and the right branches are 43.627% and 43.753%, respectively. Moreover, this structure has the tolerances of 20 nm in etched depth and 3?in incident angle, which is rather convenient to manufacture facility.     

Design of multi-channel terahertz beam splitter based on Z-shaped metasurface

A reflective beam splitter is proposed and verified. The unit cell of the beam splitter is composed of a metal pattern, a dielectric substrate, and a metallic ground. Each subarray structure of the device is composed of four unit cells, which are gradually rotated at 45°. The horizontal and vertical subarrays form a 4×4 gradient metasurface supercell. In the operating frequency band, the incident linearly polarized terahertz wave is reflected and divided into four beams of approximately equal power but different propagation directions. The proposed terahertz beam splitter based on metasurface has the advantages of small size, low cost and easy processing, and can be applied to terahertz stealth and imaging.     

新型太赫兹波束分离器的设计

近年来,随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展,基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离,波束转换效率高,结构简单且易于加工,同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配,着重研究了不同入射角度下的波束分离,并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°）,相对工作带宽可达52%,反射的四个波束功率相差不超过10%,这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案,也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。     

用光栅作为分束器的激光光栅干涉仪

本光栅干涉仪用光栅作为分束器,使双光束发生干涉。特点是既可用来观察位相物体,也可把干涉条纹调制在位相连续变化的物体上进行测量。     

基于亚波长偏振光栅的空间光桥接器设计

为了研究自由空间的相干光探测,基于亚波长偏振光栅的衍射和偏振特性,提出了一种新的24的90空间光桥接器。该桥接器主要由一个亚波长偏振光栅、两个/2波片和两个偏振分束器构成。结果表明,通过亚波长偏振光栅将信号光束和本振光束进行空间光桥接,通过左旋和右旋圆偏振光在偏光分离时的相位性质实现所需的相位关系,避免了传统空间光桥接器中对分光元件的相位要求,易于实现稳定的相位输出,在空间激光相干探测系统中有潜在应用。     

基于单平行分束器的偏光干涉系统

为了克服常规偏光干涉系统中核心器件萨瓦板(Savart)偏光镜制作工艺复杂、装调难度高的缺点,解决由于Savart偏光镜装调、加工误差造成的偏光干涉系统条纹混叠和调制度下降的问题,采用了一种基于单平行分束器(SPBS)的偏光干涉系统的方法,分析了系统的结构原理,采用矩阵传递函数推导了经偏光干涉系统出射光的琼斯矩阵及相干叠加强度,得出了和基于Savart偏光镜的干涉系统类似的干涉结果,分析了系统光程差与入射角及入射面的变化关系,并通过实验验证了理论分析的正确性。结果表明,由于SPBS结构简单,不需要多个单元组合,所以不存在装调误差,并且大幅度降低了加工误差。     

Terahertz polarization beam splitter based on photonic crystal and multimode interference

We design a compact terahertz （THz） polarization beam splitter. Both plane wave expansion method and fi- nite-difference time-domain method are used to calculate and analyze the characteristics of the proposed device. The designed polarization beam splitter can split TE-polarized and TM-polarized THz waves into different propagation di- rections. The simulation results show that the extinction ratios are larger than 18.36 dB for TE polarization and 13.35 dB for TM polarization in the frequency range from 1.86 THz to 1.91 THz, respectively. The designed polarization beam splitter has the advantages of small size and compact structure with a total size of 4.825 mm×0.400 mm.     

Surface micromachined integrated optic polarization beam splitter

An integrated polarization beam splitting system composed of one binary phase Fresnel collimating lens and one polarization beam splitter (PBS) has been realized on a single Si chip using a commercially available foundry polysilicon surface micromachining process [Multi-User Mems Process, or (MUMPS)] at Mems Center at North Carolina (MCNC). The polarization extinction ratios of 10 dB for the transmitted light and over 20 dB for the reflected light have been achieved. The whole system is prealigned through computer-aided design on a Si substrate and is lifted up perpendicular to the substrate after structure release. This system opens opportunities for various applications where the light polarization states could be utilized