基于光子自旋霍爾效應的高效微波偏振檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電磁波偏振檢測技術領域，具體涉及一種電磁波偏振檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 常規材料是由分子或原子構成的，分子和原子對外界電磁波的響應決定了整個材 料的電磁性質。電磁特異介質的思想就是通過精也設計某種人工的"分子和原子"，通常稱 之為特異介質單元，將其W某種宏觀序的形式排列成(二維或H維）陣列，便能得到特定電 磁波調制功能的"表面"或者"晶體"。電磁特異介質大大擴展人們調制電磁波的自由度，具 有廣泛的應用前景。
[0003] 梯度電磁特異介質超表面（Gradient Meta-su計ace)是指將各種結構參數不同的 特異介質單元排列成二維陣列，其中特異介質單元對外界電磁波的反射或透射相位呈線性 梯度變化。在超表面上光子滿足線動量守恒，即入射波與散射波之間滿足廣義斯涅耳定律 (General Snell Laws),散射波在相位梯度方向獲得一個附加的線動量。如果相位梯度足 夠大，則入射波會轉化為表面波。梯度電磁特異介質超表面具有廣泛的應用前景，特別是電 磁波的傳播模式和表面模式之間轉換禪合器。但是，該種梯度電磁特異介質超表面在正常 工作狀態下，其調制作用不會改變入射波的偏振狀態；另外，每一個特異介質單元的結構參 數不一樣，設計的工作量較大，制作工藝誤差而導致反射相位不完美的情況也是時常會出 現的。
[0004] 幾何貝爾相位（Geometry Berry化ase)啟發我們：不需要調整特異介質單元的結 構常數，僅僅通過轉動特異介質單元的主軸就可W調制反射相位和透射相位，并且保持反 射率和透射率模值不變。幾何貝爾相位的應用大大減少了設計梯度電磁特異介質超表面的 工作量和工藝誤差帶來影響，同時也突破了純相位調制型器件在傳統設計中的瓶頸，給純 相位調制型器件的設計帶來機遇。
[0005] 另一方面，傳統的電磁波偏振檢測是通過用線極化卿趴放置在待檢測的光路中測 量兩個垂直方向的電磁波模值和相位。如果光路空間不足W放入巨大的線卿趴，則該種直 接檢測將遇到困難。為了解決光路空間不足的問題，有一種間接測量方法是通過鏡面或者 半反片將待檢測電磁波"引出"，再用線極化卿趴測量。但是，鏡面或者半反片的反射會破壞 待檢測電磁波的偏振狀態，因為S波和P波的反射率不一樣。除此之外，傳統的光學偏振檢 測最致命的缺點是；用線極化卿趴測量兩個垂直方向的電磁波模值和相位實際上是一個二 次測量問題，即測量另一個垂直方向的時候，需要轉動卿趴口，該個轉動過程會破壞之前的 校準，給系統帶來誤差和不穩定的問題。如何設計一種全新的檢測方法能精確地(誤差小， 穩定好）測量電磁波偏振狀態，是實驗工作者迫切想要解決的技術性難題。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種檢測精度高，檢測穩定好的電磁波偏振狀態檢測裝 置，用于檢測任意偏振的待檢測入射電磁波的偏振狀態。
[0007] 本發明提供的電磁波偏振狀態檢測裝置，電磁波偏振檢測裝置由摘要附圖所示。 包括H個模塊：分別是入射模塊，散射模塊和接收模塊；其中： 所述入射模塊是由網格分析儀、發射卿趴和光路系統中的各種光學元件構成。網格分 析儀內置時域口技術，能W脈沖形式將標準的電信號輸入到發射卿趴，發射卿趴作為電磁 波激化源頭扇出電磁波，電磁波經過光路系統中的各種光學元件調制，改變其原來的偏振 狀態，該時的電磁波的偏振狀態有待檢測，由入射模塊輸出； 所述散射模塊是由一張"旋轉結構"電磁特異介質超表面的印刷電路板（Printed Circuit Board)構成，具體為由特異介質單元W某種宏觀序周期性地排列而成的二維陣 列；其中，每一個特異介質單元都繞-軸轉動一定角度，該轉動角度沿X方向線性增大，每 一個特異介質單元都能產生局域的幾何貝爾相位，即每一個局域的附加反射相位由局域的 特異介質單元的主軸轉動角度決定；特異介質單元的底部為金屬背景，仔細設計特異介質 單元，可使電磁特異介質超表面在工作頻段中產生效率近似100%的反射式光子自旋霍爾 效應，左旋和右旋圓偏振光感受到的局域幾何貝爾相位相差一個符號，也就是說左旋和右 旋圓偏振光在"旋轉結構"電磁特異介質超表面感受的幾何貝爾相位梯度強度相同但方向 相反，按照光子線動量守恒，左旋和右旋圓偏振光將被散射到兩個相反的方向上。
[0008] 散射模塊的作用是通過"旋轉結構"電磁特異介質超表面的高效光子自旋霍爾效 應，將待檢測電磁波完美地分解成左旋和右旋圓偏振光，并且往兩個不同的方向散射。
[0009] 為了提高實驗精度，入射模塊應開啟網格分析儀的時域口，使得電磁波在光路系 統中W波包形式傳輸，避免檢測裝置內部形成電磁駐波而帶來干擾。入射模塊輸出的待檢 測電磁波應垂直入射到散射模塊的"旋轉結構"電磁特異介質超表面，如果采用斜入射形 式，則要盡量保證被"旋轉結構"電磁特異介質超表面散射到兩邊的左旋和右旋圓偏振光兩 者仍然為傳播模式。入射模塊輸出的待檢測電磁波最好是平面波；如果是高斯光束，則其束 腰平面應與"旋轉結構"電磁特異介質超表面重合，使電磁波充分感受到"旋轉結構"電磁 特異介質超表面的局域幾何貝爾相位的調制。
[0010] 所述接收模塊是由兩側的左旋和右旋圓極化卿趴，W及與之相連接的網格分析儀 構成。左旋和右旋兩個圓極化卿趴的作用是對兩個方向散射的左旋和右旋圓偏振光收集并 轉化為相應的電信號，電信號接入到網格分析儀中分析和測量。
[0011] 需要注意的事項是，左旋(右旋）圓極化卿趴對稱軸應與左旋(右旋）圓偏振光傳播 方向平行，卿趴口置于電磁場強度最大的地方。在測量過程中，固定并保持圓極化卿趴與 "旋轉結構"電磁特異介質超表面的距離不變。在檢測實驗之前，左旋和右旋圓極化卿趴需 要應用標準入射波入射分別作校準。網格分析儀把校準實驗和檢測實驗測量到的模值和相 位信息作完整地記錄和保存。將校準實驗和檢測實驗中測量得到的模值結果和相位結果作 反推，便得到待檢測電磁波的偏振狀態。
[0012] 本發明偏振檢測裝置的工作頻率為/ = 10?MGHz，通過電磁標度定律，等比例 縮放或重新設計特異介質單元的結構參數，便可W將工作頻率推廣到任何頻率范圍，可W 作為微波波段，太赫茲波段和光波波段等領域新一代高質量、高精度偏振檢測裝置的代表， 為實驗工作者迫切想要解決的精確測量電磁波偏振該個技術性難題提供了具體的解決方 案。
[0013] 本發明應用電磁特異介質（Meta-materials)的理論思想，通過特異介質單元 (Meta-atom)的幾何設計（Desi即/F油rication)和幾何貝爾相位（Geometry Beiry化ase) 梯度，在"旋轉結構"電磁特異介質超表面（Meta-sudace)上實現了效率近似100%的光 子自旋霍爾效應（Photonic Spin化11 Effect)。"旋轉結構"電磁特異介質超表面將任意 偏振的待檢測入射電磁波分解成左旋和右旋圓偏振