基于镜面对称的圆偏振转换器的超宽带几何相位元件

近日，中科院长春光机所应用光学国家重点实验室液晶光学课题组提出了利用带有镜面对称结构的圆偏振转换器实现超宽带几何相位元件的设计。设计的基于四层镜面对称的偏振光栅在420-945 nm的超宽波段内衍射效率都保持在99%以上。以上研究工作以《Super-broadband geometric phase devices based on circular polarization converter with mirror symmetry》为题发表在TOP期刊APPLIED PHYSICS LETTERS, 最新影响因子为：3.791，DOI: 10.1063/5.0060647，陈万博士为文章的第一作者，穆全全研究员为文章的通讯作者。

偏振控制是光学控制手段中最重要的方式之一。随着几何相位的提出，偏振控制进入了一个前所未有的新时代。越来越多的人们开始关注几何相位元件如偏振光栅和偏振透镜等在光学系统中的应用。然而在很多应用中往往需要几何相位元件具备高效率、宽波段、大视场等特性。为了解决这些问题，OH和吴诗聪等人先后提出了双扭曲消色差偏振光栅和三层自对准多扭曲结构，它们在带宽和视角方面都显示出一定的潜力。最近Xiong等人在eLight上综述了这两种结构，也在庞加莱球上给出了形象化解释。但是到目前为止没有人深入探讨过何种多扭曲结构是设计宽带几何相位元件的更优选择。

本课题组首次提出并论证了用宽带圆偏振转换器可以实现宽带几何相位元件的设计，而具备镜面对称性的圆偏振转换器是更优的选择。图1展示了具体的实施方式。通常几何相位元件可视为图案化的半波片，光轴在表面呈不同形状分布。基于液晶的宽带几何相位元件可以利用宽带圆偏振转换器和图案化的取向方法实现，如图1(b) -1(f)。

图1 (a) 镜面对称自对准多扭曲结构，一个基板、一个光控取向层和M层扭曲层。液晶层关于厚度中心呈镜面对称。(b)超宽带圆偏振转换器的理想偏振转换。(c) 偏振光栅的指向矢分布；(d) 偏振透镜的指向矢分布。(e) 超宽带偏振光栅的侧视图和 (f) 俯视图。(g) 超宽带偏振光栅的衍射特性。

图2 几种宽带偏振光栅的光谱响应曲线。红和蓝是文中的四层对称结构。

图3 四层超宽带偏振光栅的视角响应曲线。

图2是文中设计的超宽带偏振光栅与报道的其他几种宽带偏振光栅的波段响应曲线。可以看到镜面对称的四层结构其带宽优势非常明显，可以覆盖可见光到近红外波段。图3是文中设计的超宽带偏振光栅的视角响应曲线。该设计在±30°范围内衍射效率超过90%，而传统偏振光栅只有中心波长可以与之相提并论，说明基于镜面对称结构的超宽带几何相位元件在视角方面也有性能的提升。

镜面对称结构在超宽带几何相位元件的设计中占有重要的地位，基于圆偏振转换器的超宽带几何相位元件设计理念可以极大地缩短设计、优化时间。超宽带几何相位元件在宽彩色显示、光通信、光谱成像等应用中将发挥重要优势。