介质光栅的双折射特性及H超材料的偏振依赖特性

分立介质光栅的双折射特性如图5.18(a)所示,时域谱线由标准THz-TDS系统测得。0°、90°代表偏振方向分别平行、垂直于光栅栅脊取向,由图中的红色和蓝色表示,空气信号作为参考如图5.18(a)中的黑线所示。从图中可以看出0°时的时域信号滞后于90°时的时域信号,这是由于两个方向存在光程差,也就是折射率不同。对时域信号进行傅里叶变换可以得到对应的振幅谱A(ω)和相位谱φ(ω)。光栅栅脊取向与入射光偏振方向成0°和90°时的有效折射率可以由下式求得：

式中,d表示光栅的总厚度500μm。有效折射率谱线如图5.18(b)所示。由于其梯度渐变分布,亚波长介质光栅具有大的双折射和较低的色散,在0.2~1.6 THz双折射系数Δn=n 0°-n 90°≈0.25。如图5.18(c)所示,在1.16 THz处可以实现πrad相移,可通过下式推得：

式中,f为入射光频率;d为样品厚度。(www.xing528.com)

模拟仿真采用CST软件,硅被设定为介电常数为11.7的无损材料,最小网格为1μm,在非传输方向设定为周期性边界条件。从图5.18(b)可以看出实验结果(点线)与模拟结果(实线)基本一致。另外,该介质光栅在0°、90°方向的透过率约为70%。该介质光栅在πrad相位延迟所对应的频率处可以作为半波片使用,实现正交线性偏振转换,而对于其他频点,只能实现线偏振到圆或椭圆偏振态的转变。

“H”超材料的偏振依赖特性如图5.18(d)所示。透过率经I(ω)=20lg[T s(ω)/T r(ω)]变换后得到“H”超材料形式,其中T s(ω)、T r(ω)代表样品和参考信号的振幅谱。本节定义TE模式为入射光偏振方向垂直于“H”超材料单元,其谐振谷位于1.3 THz处,而TM模式为入射光偏振方向平行于“H”超材料单元,对应谐振谷在0.63 THz处。该结构的最高透过率和最低透过率分别为70%(-3 dB)、5%(-26 dB)。由上面的讨论可以知道介质光栅具有高双折射系数,超材料单元具备TE、TM偏振敏感特性。

图5.18　介质光栅的双折射特性及“H”超材料的偏振依赖特性[6]

(a)介质光栅的太赫兹时域光谱,栅脊取向与偏振方向分别成0°、90°时为样品信号,参考信号为空气;(b)经傅里叶变换后得到的介质光栅有效折射率谱线;(c)介质光栅的相移谱线;(d)“H”超材料的TE、TM透过率曲线_____________________________________________________