技术摘要：
本发明公开一种基于超构表面的多偏振态产生器，包括金属反射层及依次形成于金属反射层上的SiO2层和金属微结构层，金属微结构层包括多个周期性分布的结构单元，结构单元由N个呈直线排布的微结构组成，微结构选自预先设置的微结构库；微结构库中的微结构包括M个不同尺寸  全部
背景技术：
偏振态产生器可以将某特定偏振入射光转化为特定偏振态的出射光，而多偏振态 的同时产生在量子计算和量子通信等方面都有着重大应用。过去人们常使用传统的双折射 材料或手性材料制作偏振态产生器，以实现偏振态的改变，但因为其工作原理的限制，器件 无法实现小型化。近年来超构材料、超构表面的出现为人们克服这个缺陷提供了新的思路， 但是如何利用一种超构表面同时产生多种不同的偏振态(线偏振、圆偏振)出射一直是本领 域的技术难题，目前仍然无法实现。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明公开一种基于超构表面的多偏振态产生器，可以在特定 响应波段下将正入射的线偏振光转变为两束或多束偏振态不同的光束并沿不同方向出射。 本发明通过设计一种超构表面来实现多种不同偏振态产生功能，具体表现为将特 定响应波段下正入射的线偏振光转变为多束偏振态各不相同的光束并沿不同角度出射，因 此，又可将这种超构表面叫做多偏振产生器。本发明技术方案如下： 一种基于超构表面的多偏振态产生器，其特征在于，包括金属反射层及依次形成 于金属反射层上的SiO2层和金属微结构层；所述微结构层包括多个周期性分布的结构单 元；所述结构单元由N  个呈直线排布的微结构组成，所述微结构选自预先设置的微结构库， 相邻微结构之间的距离为D，结构单元的分布周期为T，T＝D×N；所述微结构库中的微结构 包括M个不同尺寸的L形结构和M  个与L形结构镜像对称的L形镜像结构，所述L形结构两条 边的长度和宽度均相等；所述微结构具有可将正入射的特定响应波段的线偏振光转化为圆 偏振光的偏振转换特性，其中，M个L形结构或M个L形镜像结构产生的圆偏振光的附加相位 以2π/M的间隔均匀覆盖2π，且M个L形镜像结构产生的圆偏振光手性与M个L形结构相反；所 述多偏振态产生器还被构造为：可将正入射的特定响应波段的线偏振光转变为至少两束沿 不同角度出射的线偏振和/或圆偏振光束。 作为一种优选方案，所述微结构库包括8个L形结构Si和8个L形镜像结构Si’，i＝1, 2,…,8；其中，Si用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右 旋圆偏振态；Si’用于特定响应波段时产生在界面处相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左 旋圆偏振态。 作为一种优选方案，所述特定响应波段为1250-1300nm时，所述L形结构S1～S8的边 长和线宽依次为：500±10nm，145±10nm；410±10nm，40±10nm；235±10nm，50±10nm；300 ±10nm，30±10  nm；220±10nm，85±10nm；285±10nm，150±10nm；345±10nm，185±10nm； 465±10nm，210±10nm；所述L形结构S1～S8的厚度为50±10nm；所述相邻微结构之间的距 4 CN 111596402 A 说　明　书 2/9 页 离D为700±20nm；所述SiO2层的厚度为200±10nm。 其中，所述结构单元及其对应的多偏振态产生器包括但不限于以下几种： S8,S1,S2’,S7’,S4,S5,S6’,S3’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范 围在  1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左 旋圆偏振、右旋圆偏振、 45°方向线偏振、-45°方向线偏振； S1,S8’,S1,S8’,S5,S4’,S5,S4’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范 围在  1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为x方 向线偏振、  y方向线偏振、 45°方向线偏振、-45°方向线偏振； S1,S2,S5’,S2’,S5,S6,S1’,S6’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范 围在  1250-1300nm内的x方向线偏振光转变为4束出射光，出射的4束光的偏振态分别为左 旋圆偏振、右旋圆偏振、x方向线偏振、y方向线偏振； 所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x 方向和  y方向一致；所述 45°方向和-45°方向分别是指三维坐标系中x-y平面内与x方向夹 角 45°的方向和  -45°的方向(角度逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)。 作为一种优选方案，所述特定响应波段为1200-1250nm时，所述L形结构S1～S8的边 长和线宽依次为：230±10nm，125±10nm；270±10nm，125±10nm；310±10nm，80±10nm；290 ±10nm，30±10  nm；150±10nm，25±10nm；220±10nm，20±10nm；160±10nm，50±10nm；200 ±10nm，105±10nm；所述S1～S8的厚度为50±10nm；所述L形结构S1～S8的厚度为50±10nm； 所述相邻微结构之间的距离D为400±20nm；所述SiO2层的厚度为110±10nm。 其中，所述结构单元中微结构的选取和排布方式包括但不限于以下几种： S1,S2,S5’,S2’,S5,S6,S1’,S6’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范 围在  1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右 旋圆偏振、  y方向线偏振； S1,S2,S1’,S6’,S5,S6,S5’,S2’；所述多偏振态产生器被构造为：将正入射的波长范 围在1200-1250nm内的x方向线偏振光转变为2束出射光，出射的2束光的偏振态分别为右旋 圆偏振、  x方向线偏振； 所述x方向和y方向是指三维坐标系中的x方向和y方向，L形结构的两条边分别与x 方向和y方向一致；所述 45°方向和-45°方向分别是指三维坐标系中x-y平面内与x方向夹 角 45°的方向和  -45°的方向(角度逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)。 作为一种优选方案，所述金属反射层的厚度满足入射光全反射的要求。优选的，所 述金属反射层的厚度为100±20nm。 作为一种优选方案，所述金属微结构层的材料包括银或金。 作为一种优选方案，所述金属反射层包括银膜或金膜。 本发明的有益效果是： 本发明构建的微结构库，包含8个L形结构Si和8个L形镜像结构Si’，其中8个用来产 生在界面处附加相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的右旋圆偏振态。将这8个结构做镜像对 称，得到的另外8个结构用来产生相位从0到7π/4均匀递增，间隔π/4的左旋圆偏振态。因为 结构单元中每个微结构均可以独立选取，所以在界面处产生圆偏振光的手性和附加相位可 以任意调控，从原理上解决了左右旋偏振态相位调控不独立的问题。 5 CN 111596402 A 说　明　书 3/9 页 通过选择不同的微结构，并在一个周期内设计特定的排列方式，可出射任意偏振 态的光束，解决了现有技术中，无法利用一种超构表面同时产生多种不同的偏振态(线偏 振、圆偏振)出射的技术问题。 附图说明 图1所示为L形结构的示意图。 图2所示为利用时域有限差分方法得到的微结构库{Si}和{Si’}中16个结构的模拟 反射结果，其中，入射光是x方向线偏振光，沿-z方向传播，入射光波长设置为1300nm。结构 单元由Si或Si’  (i＝1,2,…8)构成，沿着x和y方向周期性重复。图2中(a)和(b)是16个结构 的模拟反射振幅比(y分量与x分量的比值)，图2中(c)和(d)是入射光分别与这16个结构作 用后，反射电磁波y分量与x分量相位差的模拟结果。图2中(e)和(f)是微结构库中所有结构 产生圆偏振光的附加相位φ的模拟结果。 图3-5所示为特定响应波段1250-1300nm时三种排列方式下多偏振态产生器分束 的实验图，其中：(a)是制备样品的扫描电镜照片，图中标尺是1微米；(b)是1200nm到1350nm 波长范围内宽角度衍射谱。测量区域是白色虚线两侧，对应角度变化范围是(-60°)-(-12°) 和12°-60°；(c)是各级次衍射光特定偏振分量的反射谱；(d)是各级次衍射光光强比测量 谱。 图6-7所示为特定响应波段1200-1250nm时两种排列方式下多偏振态产生器分束 的实验图，其中：(a)、(b)是制备样品的扫描电镜照片，图中标尺是1微米；(c)是各级次衍射 光特定偏振分量的反射谱；(d)是各级次衍射光光强比测量谱。