本质上，光波是电磁波，是波长在400-760nm范围的电磁波。偏振是光的重要的性质之一（也是电磁波的重要性质之一）。许多非常重要的光学现象，例如：双折射现象、法拉第效应等等都与光的偏振特性有密不可分的关系。所谓光的偏振是指光的振动方向相对于传播方向的不对称性（或：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振）。偏振现象是纵波区别于横波的一个最明显的特征。也就是说，只有横波才可能具有偏振现象，故光的偏振是光的波动性的一个非常好的例证[1]。

根据偏振的程度的不同，可以把光分成自然光、偏振光和部分偏振光。自然光是指在垂直于光或电磁波的传播方向的平面内包含有一切可能方向的横振动，且平均说来，任一方向上具有相同的振幅的这种横振动对称于传播方向的光称为自然光，自然光不是偏振光。而偏振光（又称线偏振光）则是指只有单一方向的振动的光。部分偏振光介于自然光和偏振光之间。1808年,马吕斯首次在实验中发现了线偏振光[2-3]。

为了获得偏振光尤其是获得线偏振光，人们发明偏振片，常见的偏振片称为波片（包括半波片，四分之一波片等等）。传统的偏振片主要是利用某些介质材料的二向色性来获得线偏振光，有些偏振片是利用液晶和双折射现象获得。例如：实验上研究发现,常见的有晶体都具有双折射现象（包括磁光，电光，声光等）。双折射晶体能在光的两个偏振方向上引入不同折射率从而导致相位差，这样就可以改变光的偏振态。偏振片在各种光学的精密仪器、科学研究、产品设计、生产检验中都有广泛的应用。传统的偏振片，无论是半波片还是四分之一波片，都具有损益大、透射率小以及尺寸偏大的缺点，已经越来越不适应当前光学器件小型化、微型化甚至纳米化的发展趋势[4-7]。

为了克服传统的偏振片的这些缺点，目前，国内外的科研工作者通过制造基于超表面的偏振器件来取代已经不能适应新的发展趋势的传统偏振片[8-15]。超材料通常是指一种人工周期结构,它具有天然材料所不具备的物理特性。近年来，超材料以其奇异的电磁特性引起了学者们的广泛关注。同时, 超材料在电磁波极化状态控制方面也有重要的应用前景。

基于超表面的偏振器主要是利用入射角度、相位差、超表面的微结构以及材料的性能来影响电磁波或光在器件中的传播与传输，从而控制电磁波的偏振态性能。，例如： Liu等人[15]研究了由金属-电介质-金属三层构成的超表面,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层, 底部为金属板。基于FDTD的仿真模拟发现，当入射光线偏振方向与开口环开口方向呈45#9702;时，反射光可在0.65#8212;1.45 THz频段实现线偏振态的旋转,旋转角度为90#9702;。随后，该课题组对这一结构的性能进行了实验验证。实验结果表明,该结构可以在 0.59#8212;1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90#9702;, 转换效率超过80%。在另一篇文献中，Cong等[16]提出了由一个由三层金属光栅组成的超表面偏振旋转器,该研究发现通过太赫兹波在超表面的中间间隔层间形成的法布里-珀罗腔中的共振来实现透射波偏振态的旋转,来降低基于反射式的偏振转换器件存在偏振转换效率不稳定、器件损耗较大等缺点造成的影响。哈佛大学Yu等[17]，复旦大学周磊教授课题组[18]与空军工程大学屈绍波教授课题组[19]先后通过实验发现可以相位梯度超表面来控制反射波束的相位，从而实现对电磁波的偏振态的自由控制。Gansel等[20]提出 一种由立体金属螺旋结构构成的超材料,可以实现圆极化波的选择透射。在工作频带内将特定角度入射的线极化波极化方向旋转90#9702;, 使其与入射波的偏振方向正交。他们根据各向异性理论解释了极化旋转体的工作原理。经仿真和实验验证,其偏振的转化率在工作带宽为5.5#8212;14.5 GHz内大于90%的, 相对带宽为90%。该设计具有结构简单、易加工、转化效率高、宽频带等优点。随着入射角的增大, 该偏振旋转体的工作带宽变窄, 但仍能在一定带宽内保持较高的偏振转化率。由于超材料的工作频率可以通过改变单元金属周期结构的尺寸大小进行调节,因而通过调整参数,该偏振旋转体还可工作于其他频段。该偏振旋转体在新型天线设计和隐身技术等方面具有广阔的应用前景。

截止目前，人们对偏振旋转器件的研究比较多元化，许多不同类型，不同性能、不同效果的偏振旋转器件都已经被开发出来，并且可以在在不同的领域获得比较充分的应用。鉴于偏振旋转器件的广阔的应用前景，我们希望理论并实验研究基于双层穿孔金属膜的偏振旋转器件，希望通过我们研究，获得性能优良的、有实用价值的偏振旋转器件。

参考文献：

[1]. N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats, F. Aieta, J. P. Tetienne, F. Capasso, and Z. Gaburro,”Light propagation with phase discontinuities: Generalized laws of reflection and refraction,” Science 334(21), 333#8211;337 (2011).

[2]. A. V. Kildishev, A. Boltasseva, and V. M. Shalaev, ”Planar photonics with metasurfaces,” Science 339(6125), 1232009-1 - 1232009-6 (2013).

[3]. N. Yu, and F. Capasso, ”Flat optics with designer metasurfaces,” Nature mater. 13(2), 139-150 (2014). [4]. B. Walther, C. Helgert, C. Rockstuhl, F. Setzpfandt, F. Eilenberger, E. B.Kley, F. Lederer, A. T#252;nnermann, and T. Pertsch, ”Spatial and spectral light shaping with metamaterials,” Adv. Mater. 24(47), 6300#8211;6304 (2012).