实现偏振转换的超薄单层介电超表面

光学界对光偏振态的任意控制充满了兴趣，因为这种控制能够为广泛的现代光学应用提供可能性。然而，传统的偏振控制装置通常体积庞大，并且在操作时通常受限于较窄的波长范围，这限制了光学系统的小型化和集成化进程。在本文中，我们提出了一种高性能偏振光转换器，它由总厚度仅为波长的70分之一的单层金纳米棒阵列组成。这种转换器能够将入射线偏振光束转换为圆偏振光束。通过有限时域差分法(FDTD)的理论仿真、模拟演示和深入分析，验证了所提出结论的准确性。通过对超表面的精心设计，我们将入射的线偏振光束转换了为圆偏振光束，通过调整微元的取向角度，可以调制出射圆偏振光的手性。这大大扩展了偏振控制的应用范围，有望替代传统光学器件，比如在光通信领域，偏振控制可以用于提高通信速率和数据传输质量，在光学传感领域，偏振控制能够用于设计高灵敏度和高分辨率的传感器。

偏振现象最早可以追溯到17 世纪，当时光学家发现光线在透过某些材料或反射时会发生偏振现象。

然而，对于偏振现象的真实本质和原理直到19 世纪才开始得到更深入的理解。19 世纪末和20 世纪初， 科学家们开始研究如何制造和控制偏振光。最早的偏振器件包括偏振片和偏振镜，它们能够通过吸收或反射特定方向的光来实现偏振控制[1]。波片是一种能够改变光的偏振状态的典型光学元件，波片的主要功能是改变光波的偏振状态[2]；它们可以将线偏振光转换为椭圆偏振光或圆偏振光，也可以改变光波的相位，使得相邻波前之间的相位差发生变化。最早的波片可以追溯到17 世纪，但直到20 世纪中叶，随着技术的进步和对偏振光更深入的理解，波片的设计和制造变得更加精确和可靠。近年来，随着纳米技术的发展，人们开始利用纳米结构来实现对光的更精细控制。例如，利用超表面等结构可以实现高效的偏振转换[3]，为光学器件的小型化和集成化提供了新的可能性。

超表面(metasurface)是一种具有特殊的二维或近二维结构的人造材料，用于控制光波的传播和特性。

超表面可以通过精确设计其结构和周期性来实现对光的高度控制，包括偏振[4]、相位[5]和振幅[6]等。超表面的概念最早可以追溯到20 世纪60 年代和70 年代的工作， 当时研究人员开始探索使用周期性结构来控制微波和毫米波波束的传播。随着对人造材料(metamaterial)研究的兴起，人们开始意识到可以利用这些结构来设计超表面，以控制光的传播；超材料是一种具有非常特殊的电磁性质的材料，可以通过其微观结构来控制电磁波的行为[7]。近年来，随着纳米技术和制造技术的发展，人们开始能够制造具有纳米尺度结构的光学超表面。这些超表面可以在可见光范围内实现对光的高度控制。基于超表面的偏振转换器是一种利用超表面结构来实现对光偏振状态转换的器件。通过精确设计超表面的结构和周期性，可以实现对入射光的偏振状态进行高效、可控的转换。这种转换器在光学通信[8]、成像[9]、激光器[10]等领域具有重要应用价值。超表面的偏振转换器通常由一系列微小的结构单元组成，这些结构单元的尺寸远