基于梯度光栅结构的半波片实验研究

5.1.1节中讨论分析了梯度光栅器件的双折射性质,本小节将进一步分析这些器件在用作半波片以实现偏振转化时的性能。图5.7(a)所示为半波片实验的装置示意图。光栅依旧放在系统中THz光斑焦点处,在其前面放置一块起偏器,并使光栅的光轴方向与起偏器的偏振透过方向呈45°夹角。这样只有45°偏振的THz波才能入射到光栅表面,从而保证TE和TM模式的初始振幅相等。在理想的情况下,即TE和TM模式的透过率完全相等时,如果两者的相位延迟差为πrad,则THz波的偏振态将发生90°的旋转,即从45°转换为-45°。用FDTD算法可以对器件中电磁波的电场分布进行模拟,如图5.7(b)~图5.7(d)所示。频率为1.05 THz的水平线偏振光入射到45°放置的梯度光栅上,偏振态在光栅中产生变换。图5.7(c)所示为光栅中栅格与基底交界处的电场分布,此时THz波的偏振态已经发生逆时针旋转,变成右旋椭圆偏振光。在图5.7(d)所示的出射面处,THz波已经变为竖直方向线偏光,即偏振态发生了90°的旋转。

图5.7　半波片实验的装置示意图和器件中THz波电场分布图[4],箭头方向表示电场矢量方向,电磁波频率为1.05 THz

(a)半波片实验的装置示意图;(b)在入射面处的电场分布图;(c)在光栅刻槽底平面处的电场分布图;(d)在出射面处的电场分布图

下面对不同光栅的偏振转化效率进行定量评估。为了在探测时将已转化分量和未转化分量区分开,在光栅后方再放置一块检偏器,其透振方向与光栅光轴成α夹角。这样出射THz波的振幅可以表示为

出射THz波的能量谱可以表示为

在半波片的工作频率处,TE和TM模式的相位延迟差Δφ=πrad,代入式(5.5)可以发现,当α=-45°时,已转化分量可以完全透过检偏器,而α=45°时则可以测得未转化分量的强度。理论上,这两个分量的能量呈互补关系,再加上器件的插入损耗就可以得出入射到器件前表面的THz波总能量。这里主要关注各种光栅器件的偏振转化效率,定义偏振转化率为

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式中,T-45°和T 45°分别为已转化分量和未转化分量的振幅透过率。图5.8(a)为实验测得的PGG的振幅透过率谱。在1.06 THz处,已转化分量的透过率达到了69%,而未转化分量的透过率只有1%,据此可以算出其最大转化率为99.3%,如图5.8(c)所示。在大于1.06 THz的频段,随着频率的增大,Δφ逐渐远离πrad,因此转化率下降。值得注意的是,转化率的峰值出现在1.06 THz处,这和图5.6(b)中Δφ=πrad的位置在0.98 THz存在一些偏差。这是因为这种线性偏振光的转化率是由相位延迟差和传输模式的透过率共同决定的。只有当T TE=T TM且Δφ=πrad时,透过光栅后输出的电磁波能够转化为严格的-45°线偏光。但在这里T TE和T TM并不严格相等,因此Δφ=πrad频率处的THz波并非严格的-45°线偏光,从而导致最大转化率出现了一些偏移,转化率也略小于100%。MGG的传输光谱如图5.8(b)所示,其最大转化率为97.7%,位于1 THz处,稍小于PGG的最大转化率。

同样,使用FDTD算法可以对PGG和EPG的偏振转换过程进行数值模拟。其中PGG的模拟结果如图5.9(a)所示,其最大透过率为1.07 THz处的68.9%,和图5.8(a)中的实验结果符合得非常好。图5.9(b)给出了EPG的模拟结果以便进行对照。其最大转化率为87.4%,位于1.21 THz处,远低于PGG的最大转化率。如前文所述,EPG传输模式间的相位延迟差无法达到πrad,最大值仅为0.9πrad,因此其最大转化率要低于PGG。然而在1.2~1.6 THz频段,其相位延迟差始终保持在0.8π~0.9πrad,因此在这一频段其转化率高于PGG。综上,在上述三种光栅中,PGG具有最高的偏振转化率,较之等周期光栅,具有双折射系数更大、带宽更宽、色散小、相位延迟呈线性等优点。

图5.8　实验测得的偏振态已转化分量(-45°)和未转化分量(45°)的振幅透过率谱和偏振转化率谱[4]

(a)PGG的振幅透过率谱;(b)MGG的振幅透过率谱;(c)PGG和MGG的偏振转化率谱

本节主要介绍了两种具有亚波长梯度栅格结构的THz双折射材料,在光栅结构的偏振非对称性之外,通过引入栅格的空间非周期性来进一步提高器件的双折射性能。实验测试和数值模拟的结果表明,栅格的梯度排布对器件的传输性质具有明显的偏振响应,有效地增大了TE和TM模式之间的差异,从而提高了器件的双折射系数。此外,这种非周期性的栅格排布还可以有效地避免导模

图5.9　模拟得到的已转化分量(-45°)和未转化分量(45°)的振幅透过率谱和偏振转化率谱[4]

(a)PGG的振幅透过率谱;(b)EPG的振幅透过率谱;(c)PGG和EPG的偏振转化率谱

谐振效应对器件传输谱的影响,在保持器件高透过率的同时改善其色散性质。半波片实验的结果进一步证明了器件的优异性能,实现了THz波段高效率的偏振转化。