基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置

摘要

本发明属于电磁波偏振检测技术领域，具体为一种基于光子自旋霍尔效应的高效微波偏振检测装置。本发明检测装置通过高效的“光子自旋霍尔效应”将待检测电磁波分解成左旋和右旋圆偏振光，然后分别测量其模值和相位，反推得到待检测电磁波的偏振。“光子自旋霍尔效应”是通过全反射式“旋转结构”电磁特异介质超表面的线性几何贝尔相位梯度实现。本发明相比传统的偏振检测方式（用正对着的线极化喇叭直接测量电磁波的 和分量）具有更方便快捷，而且误差更少，稳定性更好的优点。本发明工作频段在，通过等比列缩放或重新设计特异介质单元结构常数，可以推广到其他工作频段。

说明书

技术领域

本发明属于电磁波偏振检测技术领域，具体涉及一种电磁波偏振检测装置。

背景技术

常规材料是由分子或原子构成的，分子和原子对外界电磁波的响应决定了整个材料的电磁性质。电磁特异介质的思想就是通过精心设计某种人工的“分子和原子”，通常称之为特异介质单元，将其以某种宏观序的形式排列成（二维或三维）阵列，便能得到特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”。电磁特异介质大大扩展人们调制电磁波的自由度，具有广泛的应用前景。

梯度电磁特异介质超表面（Gradient Meta-surface）是指将各种结构参数不同的特异介质单元排列成二维阵列，其中特异介质单元对外界电磁波的反射或透射相位呈线性梯度变化。在超表面上光子满足线动量守恒，即入射波与散射波之间满足广义斯涅耳定律（General Snell Laws），散射波在相位梯度方向获得一个附加的线动量。如果相位梯度足够大，则入射波会转化为表面波。梯度电磁特异介质超表面具有广泛的应用前景，特别是电磁波的传播模式和表面模式之间转换耦合器。但是，这种梯度电磁特异介质超表面在正常工作状态下，其调制作用不会改变入射波的偏振状态；另外，每一个特异介质单元的结构参数不一样，设计的工作量较大，制作工艺误差而导致反射相位不完美的情况也是时常会出现的。

几何贝尔相位（Geometry Berry Phase）启发我们：不需要调整特异介质单元的结构常数，仅仅通过转动特异介质单元的主轴就可以调制反射相位和透射相位，并且保持反射率和透射率模值不变。几何贝尔相位的应用大大减少了设计梯度电磁特异介质超表面的工作量和工艺误差带来影响，同时也突破了纯相位调制型器件在传统设计中的瓶颈，给纯相位调制型器件的设计带来机遇。

另一方面，传统的电磁波偏振检测是通过用线极化喇叭放置在待检测的光路中测量两个垂直方向的电磁波模值和相位。如果光路空间不足以放入巨大的线喇叭，则这种直接检测将遇到困难。为了解决光路空间不足的问题，有一种间接测量方法是通过镜面或者半反片将待检测电磁波“引出”，再用线极化喇叭测量。但是，镜面或者半反片的反射会破坏待检测电磁波的偏振状态，因为S波和P波的反射率不一样。除此之外，传统的光学偏振检测最致命的缺点是：用线极化喇叭测量两个垂直方向的电磁波模值和相位实际上是一个二次测量问题，即测量另一个垂直方向的时候，需要转动喇叭口，这个转动过程会破坏之前的校准，给系统带来误差和不稳定的问题。如何设计一种全新的检测方法能精确地（误差小，稳定好）测量电磁波偏振状态，是实验工作者迫切想要解决的技术性难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测精度高，检测稳定好的电磁波偏振状态检测装置，用于检测任意偏振的待检测入射电磁波的偏振状态。

本发明提供的电磁波偏振状态检测装置，电磁波偏振检测装置由摘要附图所示。包括三个模块：分别是入射模块，散射模块和接收模块；其中：

所述入射模块是由网格分析仪、发射喇叭和光路系统中的各种光学元件构成。网格分析仪内置时域门技术，能以脉冲形式将标准的电信号输入到发射喇叭，发射喇叭作为电磁波激化源头扇出电磁波，电磁波经过光路系统中的各种光学元件调制，改变其原来的偏振状态，这时的电磁波的偏振状态有待检测，由入射模块输出；

所述散射模块是由一张“旋转结构”电磁特异介质超表面的印刷电路板（Printed Circuit Board）构成，具体为由特异介质单元以某种宏观序周期性地排列而成的二维阵列；其中，每一个特异介质单元都绕 轴转动一定角度，该转动角度沿方向线性增大，每一个特异介质单元都能产生局域的几何贝尔相位，即每一个局域的附加反射相位由局域的特异介质单元的主轴转动角度决定；特异介质单元的底部为金属背景，仔细设计特异介质单元，可使电磁特异介质超表面在工作频段中产生效率近似100%的反射式光子自旋霍尔效应，左旋和右旋圆偏振光感受到的局域几何贝尔相位相差一个符号，也就是说左旋和右旋圆偏振光在 “旋转结构”电磁特异介质超表面感受的几何贝尔相位梯度强度相同但方向相反，按照光子线动量守恒，左旋和右旋圆偏振光将被散射到两个相反的方向上。

散射模块的作用是通过“旋转结构”电磁特异介质超表面的高效光子自旋霍尔效应，将待检测电磁波完美地分解成左旋和右旋圆偏振光，并且往两个不同的方向散射。

为了提高实验精度，入射模块应开启网格分析仪的时域门，使得电磁波在光路系统中以波包形式传输，避免检测装置内部形成电磁驻波而带来干扰。入射模块输出的待检测电磁波应垂直入射到散射模块的“旋转结构”电磁特异介质超表面，如果采用斜入射形式，则要尽量保证被“旋转结构”电磁特异介质超表面散射到两边的左旋和右旋圆偏振光两者仍然为传播模式。入射模块输出的待检测电磁波最好是平面波；如果是高斯光束，则其束腰平面应与“旋转结构”电磁特异介质超表面重合，使电磁波充分感受到“旋转结构”电磁特异介质超表面的局域几何贝尔相位的调制。

所述接收模块是由两侧的左旋和右旋圆极化喇叭，以及与之相连接的网格分析仪构成。左旋和右旋两个圆极化喇叭的作用是对两个方向散射的左旋和右旋圆偏振光收集并转化为相应的电信号，电信号接入到网格分析仪中分析和测量。

需要注意的事项是，左旋（右旋）圆极化喇叭对称轴应与左旋（右旋）圆偏振光传播方向平行，喇叭口置于电磁场强度最大的地方。在测量过程中，固定并保持圆极化喇叭与“旋转结构”电磁特异介质超表面的距离不变。在检测实验之前，左旋和右旋圆极化喇叭需要应用标准入射波入射分别作校准。网格分析仪把校准实验和检测实验测量到的模值和相位信息作完整地记录和保存。将校准实验和检测实验中测量得到的模值结果和相位结果作反推，便得到待检测电磁波的偏振状态。

本发明偏振检测装置的工作频率为，通过电磁标度定律，等比例缩放或重新设计特异介质单元的结构参数，便可以将工作频率推广到任何频率范围，可以作为微波波段，太赫兹波段和光波波段等领域新一代高质量、高精度偏振检测装置的代表，为实验工作者迫切想要解决的精确测量电磁波偏振这个技术性难题提供了具体的解决方案。

本发明应用电磁特异介质（Meta-materials）的理论思想，通过特异介质单元（Meta-atom）的几何设计（Design/Fabrication）和几何贝尔相位（Geometry Berry Phase）梯度，在“旋转结构”电磁特异介质超表面(Meta-surface)上实现了效率近似100%的光子自旋霍尔效应（Photonic Spin Hall Effect）。“旋转结构”电磁特异介质超表面将任意偏振的待检测入射电磁波分解成左旋和右旋圆偏振光，用圆极化喇叭分别对左旋和右旋圆偏振光作测量，由测量结果反推得到待检测入射电磁波的偏振状态。所有的效应和理论跟具体的电磁波工作频段无关，因此，本发明可以覆盖微波（Micro-Wave）、太赫兹（Terahertz wave）和光波(Optics)的科研(Science)和工程(Engineering)领域，本发明将作为新一代高质量、高精度的电磁波偏振检测装置(Polarization Detector)的代表。

附图说明

图1.微波偏振检测装置的原理示意图。

图2.微波偏振检测装置的实验结果。注：“输入”是通过微波偏振片（Wave Plate）的实验数据作理论计算得到的结果。“实验”是通过微波偏振检测装置测量得到的实验结果。

图3.特异介质单元示例的结构常数（顶视图）。

图4.特异介质单元示例的结构常数（侧视图）。

图5.特异介质单元图示。其中，（a）真实样品图，（b）光子自旋霍尔效应的相对效率。

图6.由六个“旋转”的特异介质单元构成的超级原胞（三维立体图）。

图7.“旋转结构”电磁特异介质超表面图示。其中，（a）真实样品图，（b）左旋圆偏振光的反射波的角分辨实验结果，（c）右旋圆偏振光的反射波的角分辨实验结果。

图8.微波波片图示。其中，（a）真实样品图，（b）透射率模值，（c）透射相位的实验结果。注：“输入”是通过传统方法测量得到的结果。“实验”是通过微波偏振检测装置测量得到的实验结果。

具体实施方式

本发明设计理念的关键是如何实现高效的光子自旋霍尔效应，将待检测电磁波分解成左旋和右旋圆偏振光（如图1所示）。我们将二维周期阵列中每个特异介质单元主轴绕轴转动一定角度，该转动角度沿方向线性递增，即构成“旋转结构”电磁特异介质超表面。“旋转结构”电磁特异介质超表面为电磁波纯相位调制型器件，附加的几何贝尔相位来自特异介质单元的几何转动角度（如图6所示）。

本发明的设计过程是理论，模拟和实验三位一体，具体如下：

1、理论部分：

我们从琼斯矩阵理论出发，找到了设计高效光子自旋霍尔效应的关键。在理论上，反射波（透射波）与入射波之间的关系可以通过特异介质单元的反射琼斯矩阵（透射琼斯矩阵）联系起来。其中，为特异介质单元绕轴几何转动的角度，定义平面为特异介质单元周期性排列的二维平面，为特异介质单元的主轴方向。

当入射电磁波为右旋（左旋）圆偏振光时，反射波为：

其中为局域坐标系下的反射系数（同理，透射波只需要把换成透射系数即可。）其中，为附加的几何贝尔相位，由特异介质单元绕轴的转角决定。我们要实现高效的光子自旋霍尔效应，需要将几何贝尔相位非0项的强度，，其中一项提高到1，将几何贝尔相位为0项的强度，，全部压制到0。我们应用高阻抗表面（High Impedance Surface）的理念，给特异介质单元加上金属背景，透射波被完全压制，高阻抗表面大大降低解决问题的复杂程度。

我们通过特异介质单元的对称性分析，发现当特异介质单元具有镜面对称性时，镜面对称性限制了特异介质单元的主轴方向，并且使得两个主轴方面之间不存在信息交流，即其反射琼斯矩阵的非对角元为0。当时，几何贝尔相位非0项的相对效率接近完美。

将具有镜面对称性并且满足的特异介质单元排列成二维阵列，然后把每个特异介质单元的主轴绕轴转动一定角度，该角度沿着轴方向线性增大，，为固定常数，这样就构成了能实现高效光子自旋霍尔效应的“旋转结构”电磁特异介质超表面。在IEEE规范下，反射波的右旋（左旋）圆偏振光从“旋转结构”电磁特异介质超表面那里得到一个附加的几何贝尔相位梯度，即沿方向获得一个附加线动量（），反射角度与入射角度之间满足广义斯涅耳定律。特别地，当入射波为正入射时，反射角度为，保证了散射的左旋和右旋圆偏振光均为传播模式。

2、模拟部分：

通过有限时域差分的电磁波计算程序包模拟、设计特异介质单元和“旋转结构”电磁特异介质超表面。我们设计了一个具有镜面对称性的、满足的、由三层结构构成的特异介质单元：

（1）第一层为耶路撒冷十字型的完美金属片，厚度为，其结构参数分别为，，，，线宽（如图3所示）。

（2）第二层为各向同性的均匀介质，其相对介电常数，相对磁导率，相对电导率，厚度为，大小（如图4所示）。

（3）第三层为完整的完美金属层，厚度（如图3、4所示）。

将六个这样特异介质单元组成一个超级原胞（Super-cell）, 六个特异介质单元的分别绕轴转动、、、、和（如图6所示）。将个超级原胞周期性排列成大小为的“旋转结构”电磁特异介质超表面，则几何贝尔相位梯度为。

在频率范围内，特异介质单元的几何贝尔相位非0项相对效率接近完美（如图5.b所示），因此“旋转结构”电磁特异介质超表面能实现高效的光子自旋霍尔效应（如图7.b,c所示）。当入射波为正入射时，反射波的反射角为。（其中，。特殊地，当时，。）

3、实验部分：

制作大小为印刷电路板（Print Circuit Broad），中间的各向同性均匀介质为FR-4材料。在FR-4的整个下表面镀上厚度铜膜，上表面印刷出模拟中设计的耶路撒冷十字型的铜片。(如图5.a和图7.a所示)

（1）实验1：特异介质单元的反射琼斯矩阵的测量实验（小角度入射反射）

本发明验证了特异介质单元的反射琼斯矩阵元实验结果与理论和模拟设计结果相一致，几何贝尔相位项的相对效率接近完美（如图5.b所示），即在频率范围内近似满足，。

（2）实验2：光子自旋霍尔效应测量实验（线偏振波垂直入射）

本发明验证了“旋转结构”电磁特异介质超表面，在频率范围内，能实现高效的光子自旋霍尔效应。实验的绝对效率达到，实验和模拟的相对效率高达到（如图7.b,c所示）。

（3）实验3：微波偏振状态检测装置

基于“旋转结构”电磁特异介质超表面，我们设计了“微波偏振状态检测装置”（如图2.a所示）：

在一个固定的架子上，待检测入射波垂直入射到“旋转结构”电磁特异介质超表面，两侧分别放置左旋和右旋圆极化喇叭作接收。（反射角设置在，能最大限度地接受反射信号。固定接收喇叭与电磁特异介质超表面的相对位置，确保整个实验过程中两个喇叭的校准保持不变。）

偏振状态检测实验中，我们首先用线偏振光入射，得到两支接收喇叭关于模值误差和传播相位的校准信号。然后再用待检测电磁波入射，得到两个接收喇叭关于反射波的模值和相位信号，运用下列公式，我们反推得到待检测入射波的电场分量和。定义椭偏度为偏振椭圆短轴和长轴之比，长轴与x轴的夹角定义为。本发明的偏振检测装置，在的工作频率范围内，能完美地实现偏振检测。（如图2.b,c所示）

补充说明：本发明的偏振检测装置不仅仅局限在微波范围内实现其功能，如果客户需要对其他频率范围的电磁波作偏振检测，本发明可以根据电磁波标度定律等比例缩放或重新设计特异介质单元的结构参数，就能在其他频率范围实现相同的检测功能。

补充实验（实验3的基准）：微波波片的透射琼斯矩阵的测量实验

设计了一块微波波片（如图8.a所示），微波偏振片也是由特异介质单元周期性排列而成，特异介质单元的大小为，第一层为十字花结构，其结构常数，，线宽为，第二层为FR-4各向同性均匀介质，其厚度为，相对介电常数，相对磁导率，电导率，第三层为第一层的镜面对称。

应用本发明的微波偏振状态检测装置，测量了微波波片的透射琼斯矩阵,并与传统测量方法实验结果作对比。（如图8.b,c所示）两种测量方法得到实验结果十分吻合。此外，还观测到，本发明的微波偏振检测装置的测量结果的稳定性更好，可多次重复，误差小。