本發明涉及光學器件，尤其涉及基于vo2的偏振調制器、偏振特性分析方法及調制方法。

背景技術：

1、在自然界和人工系統中，光的偏振狀態攜帶著豐富的信息，所以對于科學、工業、醫療和通信等多個領域都具有重要的應用價值。從基礎物理現象到尖端技術應用，偏振調制技術的發展極大地擴展了對光的操控能力，從而在偏振光柵、全息、偏振成像、矢量光束等方面均得到了廣泛的應用。

2、在傳統技術中，對自由空間傳輸光波的偏振調制主要采用電光或磁光晶體，再通過外加電磁場的作用改變光波的偏振狀態，這類技術實現的調制動態范圍有限，且器件體積和功耗較大。另外，在太赫茲波段，目前還沒有成熟的空間波偏振調制技術。

3、隨著納米技術和材料科學的進步，新型偏振調制器件和方法不斷涌現，特別是超表面技術的出現，為實現更高效、更緊湊、更智能的偏振控制提供了新的可能性。超表面具有薄、平、易制造的特點，減少了損耗，適用于從微波到可見光的頻率范圍。它們通過結構表面的突變相位來傳輸或反射電磁波，從而提供新的自由度控制光場的相位、振幅和偏振響應，以此實現各種功能。

4、近年來，手性超表面已成為超表面領域中的一個研究熱點。手性是一種獨特的幾何特性，指的是物體與其鏡像無法通過旋轉和平移完全重合。自然界中存在許多手性物體，自然手性化合物的光學響應通常較弱，限制于光波長與分子尺寸的匹配。

5、為解決上述問題，學者進一步研究出了人工手性超表面，人工手性超表面從結構上分為三維和二維手性結構，材料上分為金屬和全介質手性超表面。其中，三維手性結構雖然手性光學響應良好，但加工和應用復雜。二維金屬手性超表面由于難以產生面內磁偶極矩和歐姆損耗，不易實現顯著的手性光學響應和圓二色性。

6、由于金屬與化合物復合超表面因其在電磁波段位相、振幅和偏振控制方面的卓越性能，能夠實現多功能集成光學元件的設計，因而日益受到研究者們的廣泛關注。但是現有的現有金屬與化合物復合超表面還存在的窄帶寬、工作頻率固定等缺陷。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供基于vo2的偏振調制器、偏振特性分析方法及調制方法，解決上述技術問題。

2、為實現上述目的，本發明提供了一種基于vo2的偏振調制器，包括金屬基底層、設置于金屬基底層頂端的s?i介質層以及周期設置于s?i介質層頂端的超表面單元，超表面單元為由vo2與金屬復合形成的手性結構；

3、超表面單元包括由第一中間金屬框架和第二中間金屬框架組成的中間結構以及設置于中間結構兩側的側部金屬條，第一中間金屬框架和第二中間金屬框架的相背側的中間位置均鑲嵌有vo2，第一中間金屬框架和第二中間金屬框架的相對側的中間位置均連接有金屬凸起。

4、優選的，第一中間金屬框架和第二中間金屬框架的左右兩側均經連接金屬條與側部金屬條連接；

5、中間結構、金屬凸起、側部金屬條以及金屬基底層的材質均為金。

6、優選的，超表面單元的基本周期p＝300um。

7、優選的，側部金屬條的寬度a＝18μm；第一中間金屬框架和第二中間金屬框架均為正方形框架結構，且第一中間金屬框架和第二中間金屬框架的內邊長b＝70μm；vo2嵌入金屬層的厚度c＝2μm；側部金屬條距離超單元邊界的距離d＝30μm；連接金屬條的寬度與vo2的厚度相同，且連接金屬條的寬度e＝10μm；中間結構距離超表面單元邊界的距離f＝35μm；金屬凸起的長度g＝20μm。

8、基于vo2的偏振調制器的偏振特性分析方法，包括以下步驟：

9、s1、確定線偏振反射系數，以反射電場與入射電場之間的關系：

10、

11、式中，er(r,t)表示反射電場矢量；和分別表示反射電場的x分量和y分量；rxx和ryy均為共極化分量，其中rxx表示x方向入射波在x方向上的反射系數，ryy表示y方向入射波在y方向上的反射系數；rxy和ryx均為交叉極化分量，其中rxy表示y方向入射波在x方向上的反射系數，ryx表示x方向入射波在y方向上的反射系數；和分別表示入射電場矢量；r表示反射矩陣；ei(r,t)表示入射電場的x分量和y分量；

12、s2、利用線偏振和圓偏振分量之間的關系，確定圓偏振反射系數：

13、

14、式中，rrr、rrl、rlr和rll均為圓偏振分量的反射系數，其中rrr表示右旋圓偏振波在右旋圓偏振波上的反射系數，rrl表示左旋圓偏振波在右旋圓偏振波上的反射系數，rlr表示右旋圓偏振波在左旋圓偏振波上的反射系數，rll表示左旋圓偏振波在左旋圓偏振波上的反射系數；i表示虛數單位；

15、s3、基于圓偏振反射系數，計算超表面單元對左旋偏振波和右旋偏振波的吸收率：

16、al＝1-rll2-rrl2?????????????????????????(3)；

17、ar＝1-rlr2-rrr2????????????????????????(4)；

18、式中，al和ar分別表示超表面單元對左旋圓偏振波的吸收率和對右旋圓偏振波的吸收率；

19、s4、比較超表面單元對左旋圓偏振波的吸收率al和超表面單元對右旋圓偏振波的吸收率ar，得到超表面的手性特性評估結果；

20、s5、基于超表面單元對左旋偏振波和右旋偏振波的吸收率，計算圓二色性參數cd，以量化超表面單元對左旋偏振波和右旋偏振波的響應程度：

21、cd＝al-ar??????????????????????????(5)；

22、s6、引入旋轉角ψ和橢圓度χ，以表征超表面單元的偏振橢圓特性：

23、

24、式中，e0x和e0y分別表示rrl和rll的線性幅值大??；δ表示相位差；

25、s7、利用電磁仿真軟件進行仿真驗證。

26、基于vo2的偏振調制器的調制方法，包括以下步驟：在特定入射條件下入射至超表面單元，通過調控vo2的相變程度，改變其電導率，進而改變反射電場x分量和y分量的振幅比和相位差，從而調控偏振調制器的偏振狀態。

27、優選的，特定入射條件為：選用入射頻率為0.192thz，垂直入射的y方向偏振的線偏振光。

28、優選的，當vo2處于絕緣狀態，電導率為200s/m時，入射y方向線偏振波與調制輸出的x方向線偏振波之間的相位差為106.4°，y方向線偏振波與x方向線偏振波的轉換率為41.65％，偏振狀態為圓偏振；

29、當vo2的電導率增至2000s/m時，入射波與反射波之間的相位差為116.5°，y方向線偏振波與x方向線偏振波的轉換率為81.3％，偏振狀態為橢圓偏振；

30、當vo2經歷相變達到金屬態，電導率升高至200000s/m時，入射波與反射波之間的相位差為145.2°，y方向線偏振波與x方向線偏振波的轉換率為92.53％，偏振狀態為線偏振。

31、因此，本發明采用上述基于vo2的偏振調制器、偏振特性分析方法及調制方法，具有的有益效果為：

32、1、動態可調的偏振特性：通過改變vo2的相變程度和入射角角度，可以實現對圓偏振(rcp和lcp)和線偏振的有效調制，這為實際應用提供了極大的靈活性；

33、2、高選擇性和高圓二色性：在0.192thz頻率下，超表面在絕緣態對右旋圓偏振(rcp)的吸收遠高于左旋圓偏振(lcp)，顯示出高圓二色性(cd值接近0.8)，這意味著它可以高效地區分并處理不同類型的圓偏振光，從而在偏振控制領域具有顯著優勢；

34、3、寬范圍的入射角適應性：改變入射角會影響超表面對rcp和lcp的吸收率，尤其是在0°至50°范圍內，rcp的吸收率增加明顯，這種特性使得超表面在不同角度的入射光下仍能保持高效的偏振調制能力，拓寬了其應用場景。

35、綜上所述，由于上述獨特的偏振調制能力和高圓二色性，使得本發明所述超表面在多個領域具有廣泛的應用前景，如光學通信、偏振成像、傳感技術等。

36、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。