[发明专利]一种全介质偏振分束超材料器件及其参数计算方法

说明书

本发明公开了一种全介质偏振分束超材料器件的参数计算方法，确定光栅的周期，使得其只有0级衍射和‑1级衍射；基于亥姆霍兹方程，得到光栅区域中太赫兹波衍射的本征方程；对该本征方程求解，得到光栅中传播的前两个布洛赫模式的等效折射率；基于马赫曾德干涉仪原理，得到这两个布洛赫模式的衍射效率与光栅深度的近似函数关系；给定占空比，得到光栅0级或‑1级衍射效率达到最大时的光栅深度。本发明还公开了一种全介质偏振分束超材料器件。本发明的参数计算方法，采用简化的模态法，其计算方法简单且计算量小。本发明的全介质偏振分束超材料器件加工简单，可以把不同偏振的入射太赫兹波衍射到不同的方向，并且达到较高的效率。

技术领域

本发明涉及一种偏振分束超材料器件设计方法，特别涉及一种全介质偏振分束超材料器件及其参数计算方法。

背景技术

目前，太赫兹波是频率在0.1THz-10 THz之间的电磁波。很早之前，人类对于光波和微波的探索和应用已经非常成熟了，而直到二十多年前，人类才逐渐开始对太赫兹波进行深入探索，近年来，由于太赫兹波在光谱、成像、质量控制以及通信等各个领域有着广泛的作用，太赫兹波及其相关技术得到了人们越来越多的关注，尤其是太赫兹波的产生和探测技术以及太赫兹功能器件的开发制作。

太赫兹波的诸多应用都需要基本器件的支撑，如偏振分束器，其在对太赫兹波的操纵中具有重要作用。由于缺乏适合在太赫兹频率下产生响应的天然材料，偏振分束器中的超材料以及超表面在太赫兹波的诸多应用中起着必不可少的作用。通过改变偏振分束器中亚波长结构单元，偏振分束器可以控制光的振幅，相位和偏振，可实现许多传统光学设备无法实现的功能，如负折射率、隐身、非对称传输、平面全息等。

金属超材料虽然也可以调制入射太赫兹波，但是金属超材料只能调制入射能量的一小部分，并且金属结构本身的损耗也很大，导致最终太赫兹器件的工作效率较低。

亚波长一维光栅作为最简单的超材料结构，具有设计和加工简单方便的优点，同样可以用来操控太赫兹波。经过几十年的研究，光栅理论已经非常成熟了，利用严格耦合波理论和时域有限差分法等可以精确计算光栅各衍射级次效率，严格耦合波法使用傅里叶展开将光栅内部的电磁场展成一定数量的不同频率平面波的叠加，由此求解得到光栅各衍射级次的衍射效率，一般来说，为了精确求解光栅衍射效率，要计算多达前20个平面波，因此计算极为繁琐，只能使用电脑计算得到数值解。严格耦合波理论和时域有限差分法等都有计算量大，得不到光栅衍射效率的解析解从而不利于逆向设计的缺点。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种全介质偏振分束超材料器件及其参数计算方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种全介质偏振分束超材料器件的参数计算方法，确定光栅的周期，使得其只有0级衍射和-1级衍射；基于亥姆霍兹方程，得到光栅区域中太赫兹波衍射的本征方程；对该本征方程求解，得到光栅中传播的前两个布洛赫模式的等效折射率；基于马赫曾德干涉仪原理，得到这两个布洛赫模式的衍射效率与光栅深度的近似函数关系；给定占空比，得到光栅0级或-1级衍射效率达到最大时的光栅深度。

进一步地，在确定光栅周期后，分别计算横磁波、横电波的各级次衍射效率的解析解；设h_max,TM为给定占空比下，横磁波0级或-1级衍射效率达到最大所需的光栅深度，设h_max,TE为给定占空比下，横电波0级或-1级衍射效率达到最大所需的光栅深度；优化占空比，使得h_max,TE＝2h_max,TM或h_max,TM＝2h_max,TE。

进一步地，采用COMSOL软件的扫描参数功能对参数进行调整优化。

进一步地，光栅中传播的前两个布洛赫模式的衍射效率与光栅深度的近似函数关系为：

其中