CN102721993A - 基于共振原理的纳米薄膜半波片 - Google Patents

Abstract

基于共振原理的纳米薄膜半波片。半波片是用来实现光波偏振态完全转换的一种器件，在光通信、光传感、光隔离等领域中具有非常重要的地位。但常用的传统晶体半波片由于受到物理尺寸(厚度至少在毫米量级)的限制，很难满足微纳光电子集成的要求，本发明提出了基于共振原理的纳米薄膜半波片，物理尺寸可以突破衍射极限达到纳米量级。本发明以反射式局域等离激元金属微结构为例，阐明基于共振原理实现光波偏振完全转换的物理机理。此原理可以扩展到除金属局域等离激元共振结构以外的其他类型的共振结构，如光子晶体和光栅共振结构等；也可以扩展到透射情况，如光学天线共振结构等。

Description

基于共振原理的纳米薄膜半波片

技术领域

本发明涉及一种光波偏振完全转换的半波片器件，尤其适用于微纳光电子集成领域。

背景技术

偏振是光波的基本属性，对光偏振的操控或利用在科学研究(例如用于物质结构的应力分析)、信息工业(例如用于通讯及各种液晶显示器)、交通运输(例如用于遮避刺眼强光)和国防建设(例如军事侦查)等方面有着广泛的应用。半波片是用来实现光的偏振态完全转换的一种器件，在光通信、光传感、光隔离等领域中具有非常重要的地位。作为一种重要的光学器件，半波片的相关理论已被广泛研究。

根据半波片的实现方法，常见的半波片分为晶体波片型、光纤型，光电晶体型和液晶型四大类。光纤型、光电晶体型和液晶型半波片都需要外部调制信号(应力或电压)，这导致它们的应用受到了限制。晶体波片型半波片应用最为广泛，其组成材料为各向异性晶体，原理是基于光在这些晶体中传播的双折射效应。假设线偏振光垂直入射到该类晶体，其电场方向与晶片光轴夹角为θ，入射电场分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量，它们分别对应晶片中的o光和e光。晶片中的o光和e光沿同一方向传播，但由于折射率的不同，穿出晶片后两种光间产生的光程差为(no-ne)·d，d为晶片厚度，no和ne分别为o光和e光的折射率，两电场分量的相位差为在出射面，由于附加相位差的引入，出射光的偏振会发生变化，当相位差等于180度时，就能实现偏振的完全变换(即半波片)。因为一般晶体的no-ne在的10^-3量级，所以在光波段，要实现半波片功能，半波片的厚度至少在毫米量级。

所以，传统晶体波片型半波片作为一种重要的光学器件，受物理尺寸的限制，难以满足微纳光电子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微纳光电子集成的半波片显得非常迫切。

发明内容

为了克服传统半波片的缺点，本发明将提出基于共振原理的纳米薄膜半波片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

光波共振时，各处的电场同步振动，这时候不管是反射还是透射对应的附加相位都为零，自然与厚度d无关。光波共振的结构很多，比如FP腔、光子晶体微腔、局域等离激元金属微结构和光学天线等，共振结构的尺寸决定了半波片结构的尺寸。由于局域等离激元金属微结构的尺寸在纳米量级，所以很自然地能得到基于金属微结构的纳米尺度半波片。根据此方案(原理)可以设计各种各样的共振结构，同时，既可以设计出透射型半波片也可以设计出反射型半波片。本实施例以反射型为例，并选取二维周期排列、正交耦合的劈穴谐振子阵列作为一般性代表(其它共振结构也是本发明专利权利要求保护的内容)来说明基本方案。在厚度为180纳米的单层金质薄膜上刻蚀由三个成90度相连的圆形孔为组元的周期结构，孔直径为460纳米，深度为150纳米(反射结构)，组元内相邻孔中心间距650纳米，相连部分宽度为150纳米，组元间距即周期为1300纳米。在这样设计的在非扩展结构中，存在局域等离激元共振，并且支持对称和反对称两种模式(以沿三个圆形孔的对称方向为轴)。与对称模式共振频率相等的线偏振光垂直入射到此结构，其电场与光轴(沿三个圆形孔的对称方向)夹角为θ，入射光的电场分解成垂直于光轴(类似o光)和平行于光轴(类似e光)两个分量，由于对称性的关系，o光不能激励对称局域等离激元共振模式，被金薄膜正常反射，附加相位为180度；而e光能激励对称局域等离激元共振模式，每个组元的局域离激元共振等效于一个辐射源，所有这些辐射源在远场又叠加成e光，所以相当于e光被共振反射，附加相位差为0度。由于o光和e光附加相位差的引入，反射光的偏振会发生变化，理想情况下其方向与入射光偏振夹角2θ，如果θ＝45°，则此结构可以实现偏振的完全变换，即此结构可以看作是一个半波片。

本发明的有益效果是：

(1)提出基于常规反射与共振反射叠加控制光波偏振的基本物理思想。此原理可以扩展到除金属局域等离激元共振结构以外的其他类型的共振结构，如光子晶体和光栅共振结构等；并且也可以扩展到透射情况，如光学天线共振结构等，即利用普通行波传播透射与共振透射叠加控制光波偏振。

(2)基于基本物理思想，通过改变形状结构，可以设计出当前工艺水平易于制造的纳米薄膜半波片。如本例，单层金属薄膜的微纳结构，此结构加工工序少，制作简单，易于实际应用。

(3)满足了微纳光电子集成的要求，推动了光电集成的进一步发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是阵列结构整体布局图(3×3)。

图2是单个阵列胞元立体视图。

图3是单个阵列胞元平面侧视图。

图4是实验系统图。

图5是实验样品图。

图6是实验结果数据图。

图2中D为单穴直径，等于460纳米；H为劈穴深度，等于150纳米；W为劈槽宽度，等于150纳米；R为相邻两穴中心间距，等于650纳米；虚线所示方向为对称模式方向。

图4中1为光源；2为凸透镜；3为共焦孔；4、8为格兰-汤普森棱镜；5、9为分束器；6为物镜；7为样本；10为单色仪；11为探测器；12为PCI(外部控制器)；13为CCD摄像系统；14为计算机。

图6中纵轴为归一化强度，横轴为波长。

具体实施方式

实施例一：

在二氧化硅衬底上用磁控溅射方法镀一层金膜，然后用聚焦离子束或反应离子刻蚀加工金膜，得到设计好的周期孔结构(如图5所示)。

实施例二：

如图4所示，一束由卤光灯1产生的白光经格兰-汤普森棱镜4起偏后由物镜6聚焦到实施例样本7上，反射光被同一物镜6吸收后由另一个格兰-汤普森棱镜8检偏并分成两束。一束被CCD摄像系统13捕获，另一束入射到单色仪10并被探测器11探测。由起偏器决定入射光的偏振方向，通过调整检偏器的方向来得到反射光任意偏振方向的反射率，得到如图6所示的实验结果。

Claims (4)

1.基于共振原理的纳米薄膜半波片，其特征是：入射光偏振分解为两个特定的互相垂直的分量，其中一个分量能与结构共振，被结构共振反射或共振透射，而另一分量则不能与结构共振，被常规反射或直接透射。

2.根据权利要求1所述的共振型纳米薄膜半波片，其结构根据需要可以多变，但其物理机理不变，即一个分量被结构共振反射或共振透射，而另一分量被常规反射或直接透射。

3.根据权利要求1和2所述的共振纳米薄膜半波片，其特征是单元尺寸依被控制光波波长的改变而改变。

4.根据权利要求1、2和3所述的共振纳米薄膜半波片，其特征是通过改变其结构设计可以分别实现反射和透射式两种类型。

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