CN102981205A - 亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法，该波片包括SiO₂基片及位于所述基片上的银膜，银膜由若干周期性的二维环形孔径阵列构成，二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等、宽度W₁、W₂不等，当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的位相满足

或

并且当

时，振幅分量E_x、E_y相等。本发明提供的等离子1/4波片结构简单、易于集成，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

Description

亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，特别是涉及一种亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法。

背景技术

在光的研究与应用领域，控制光的偏振态是至关重要的。到目前为止，广泛使用的控制光的偏振态器件大多都是利用双折射晶体材料，当光入射到双折射晶体时，由于两个正交方向的光轴具有不同的折射率，因此透射光会在这两个正交方向上会产生位相差，从而实现光的偏振态可控的特性。目前，对于透射光场的超透过这种特殊现象，许多课题组已经做了大量研究，结果表明，含有纳米量级尺寸孔径的亚波长周期性金属结构能够激发表面等离子激元共振，从而实现光的超透过。Klein et al更进一步的研究证明光的超透过现象与亚波长结构的孔径效应有很大关系，这是由于金属膜上的孔径能够激发局域表面等离子（LSP）共振，而光谱的LSP共振峰对孔径的形状与尺寸非常敏感；更重要的是，随着共振峰的出现透射场的位相会产生一个突变。基于局域表面等离子共振引起的透射场的位相突变效应，许多课题组通过嵌有相互垂直的矩形狭缝的金属薄膜组成的亚波长结构来实现波片功能。Khooet al提出了一种方法，即把含有一对相互垂直狭缝的200nm厚的金膜放置在玻璃基底上，然后利用数值模拟计算的方法分别改变两矩形狭缝的长度和宽度，并且将其中一个狭缝填入与玻璃相同折射率的电介质，最终在802nm波长处实现了透射场在两正交方向分量上具有π/2的位相差，同时为了实现1/4波片的功能，两正交方向电场的振幅要保持相等，因此在保持π/2固定位相差的前提下，在金薄膜上增加第三条狭缝是很有必要的；Baida et al提出了一种来具有超透过现象的各向异性超材料薄膜，即含有亚波长相互正交的矩形狭缝对阵列的完美导体金属膜，为了形成并利用法布里-珀罗（F-P）共振，金属薄膜的厚度必须是所设计半波长的整数倍，这将给器件的制作工艺增加了困难；最近，Roberts提出一种含有周期性十字形孔径阵列的银膜结构，在近红外波段来实现等离子波片的方法，通过改变狭缝的长度差约20nm，在710nm、760nm波长处实现了1/4波片的功能。

除了以上的透射模式以外，Pors et al提出利用相互正交的具有相同横截面的纳米天线阵列，通过控制金天线的长度变化，在1520nm波长处两正交方向上电场分量产生π/2的位相差，在所设计的结构中，为了实现两方向分量的振幅相等，入射的线偏振光相对于x轴的偏振方位角应该设定为56°，而不是我们传统波片所需要的45°；2012年，Wang et al证明了金属纳米椭圆饼状阵列可以通过反射实现偏振态的转换，通过打破方位角的对称性，入射线偏振光的偏振方向分别沿椭圆的长轴和短轴方向时，椭圆等离子阵列能够支持不同的奇偶模式共振腔，在两方向上产生位相差，通过合理的设计从而可以将线偏振光转换成圆或椭圆偏振光。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种亚波长矩形环阵列四分之一波片，所述波片包括SiO₂基片及位于所述基片上的银膜，所述银膜由若干周期性的二维环形孔径阵列构成，二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等、宽度W₁、W₂不等，当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的位相

满足或并且当

时，振幅分量E_x、E_y相等。

作为本发明的进一步改进，所述入射的线偏振光的波段范围为1.50μm～1.61μm。作为本发明的进一步改进，所述宽度W₂小于W₁时，位相分量

满足宽度W₂大于W₁时，位相分量

满足

相应地，一种亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，所述方法包括：

S1、优化设计二维环形孔径，使得相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等，宽度W₁、W₂不等，同时当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

S2、提供SiO₂基片；

S3、在所述SiO₂基片上生长一层银膜；

S4、在所述银膜上形成若干周期性的二维环形孔径阵列。

作为本发明的进一步改进，所述方法中“优化设计二维环形孔径”具体包括：

确定二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂，其中L₁=L₂；

确定一个孔径宽度W₁或W₂，优化另一个孔径宽度W₂或W₁，使得当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

作为本发明的进一步改进，所述“优化设计二维环形孔径”还包括：

确定孔径宽度W₁，逐渐减小W₂，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量满足或，

确定孔径宽度W₁，逐渐增大W₂，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或，

确定孔径宽度W₂，逐渐减小W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量满足或，

确定孔径宽度W₂，逐渐增大W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

作为本发明的进一步改进，所述优化设计方法采用时域有限差分方法进行数值模拟透射场振幅分量和位相分量。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中在银膜上形成若干周期性的二维环形孔径阵列通过电子束光刻或聚焦离子束刻蚀方法形成。

与现有技术相比，本发明通过时域有限差分方法的数值模拟，利用放置在SiO₂基底上嵌有亚波长矩形环形孔径阵列的超薄银膜结构，实现了等离子1/4波片的方法。本发明亚波长矩形环阵列四分之一波片具有结构简单、易于集成等优点，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a-1c为本发明亚波长矩形环阵列四分之一波片的立体结构示意图、俯视结构示意图及局部放大示意图；

图2a、2b为本发明一实施方式中嵌入图案在不同参数时的透射场曲线图；

图3a-3d为本发明一实施方式中入射偏振方位角为0°和90°时的透过率以及位相曲线图；

图4为本发明一实施方式中位相差φ随波长变化的曲线图；

图5a、5b为本发明一实施方式中线偏振光入射时透射场沿0°和90°方向的振幅和位相曲线图；

图6为本发明一实施方式中透射场沿x、y方向分量的振幅比与位相差曲线图；

图7a为本发明一实施方式中根据x和y两方向之间的振幅比与位相差，透射场椭圆偏振光椭圆率与偏转角随波长的变化曲线图，图7b为对应于1.50μm、1.61μm波长处椭圆偏振光以及1.55μm波长处圆偏振光的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1a、1b所示，本发明的一种亚波长矩形环阵列四分之一波片包括SiO₂基片10及位于所述基片上的银膜20，银膜由若干周期性的二维环形孔径阵列构成，参图1c所示为图1b中的局部放大图，二维环形孔径中相邻的两个孔径(沿y方向与x方向)长度分别为L₁、L₂、宽度分别为W₁、W₂，且L₁、L₂相等，W₁、W₂不等。SiO₂的折射率为1.45，结构的周期为P，厚度为H。

采用时域有限差分(FDTD)的方法来数值模拟透射场的性质，在x、y边界，利用周期性边界来模拟周期性结构，在z界面设置为完美匹配边界，当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过计算可以得到通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y和位相分量

本发明中1/4波片位相分量

满足

或

并当

时，振幅分量满足E_x=E_y。

本发明中亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法包括以下步骤：

S1、优化设计二维环形孔径，使得相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等，宽度W₁、W₂不等，同时当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

S2、提供SiO₂基片；

S3、在所述SiO₂基片上生长一层银膜；

S4、在所述银膜上形成若干周期性的二维环形孔径阵列。

其中，步骤S4通过电子束光刻或聚焦离子束刻蚀方法形成，具体包括：

电子束光刻，电子束曝光技术是利用电子束扫描将光刻胶加工成精细掩膜图形的技术。由于放置于金属薄膜上的光刻胶对电子束比较敏感，受电子束辐照后物理和化学性质会发生改变，在显影剂中表现出良溶或非溶的特性，从而形成所需要的图案，然后再利用反应离子束刻蚀系统将光刻胶上的图案转移到银膜上，形成周期性的环形阵列。电子束光刻的最小分辨率达到5nm-10nm，对于本发明中所需要的W₁、W₂（一般在20-100nm）均可以通过此种方法来实现；

聚焦离子束刻蚀，聚焦离子束刻蚀以离子束为刻蚀手段达到刻蚀目的的技术，离子束最小直径约10nm，最小分辨率可达到12nm，在计算机控制下可以实现无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，能够直接在银膜上制造各种纳米结构，对于专利中所需要的W₁、W₂（一般在20-100nm）完全可用此种方法来实现。

进一步地，二维环形孔径的优化设计具体包括：

确定二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂，其中L₁=L₂；

确定一个孔径宽度W₁或W₂，优化另一个孔径宽度W₂或W₁，使得当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

W₁、W₂的设计包括以下4中方法：

确定孔径宽度W₁，逐渐减小W₂，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

确定孔径宽度W₁，逐渐增大W₂，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

确定孔径宽度W₂，逐渐减小W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

确定孔径宽度W₂，逐渐增大W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

以下结合理论基础对本发明亚波长矩形环阵列四分之一波片及其制作进行进一步说明。

图2a、2b所示为嵌入图案在不同参数时的透射场。图2a为W₁=W₂=40、60、80nm时的归一化透过率，图2b为W₁=W₂=60nm时的归一化透过率以及相对于没有银膜时的相移曲线。其中，上述实验中其他参数：

P=600nm，L₁=L₂=400nm，H=200nm。

由图2可以得到不同结构参数下透射场(透过率和位相)随入射波长的变化曲线，设置入射光的波段范围为400nm-2000nm，线偏振光的偏振方位角为45°，结构的周期P和银膜厚度H分别为600nm和200nm，为了探究得到透射场的性质，环形孔径沿着x、y方向的参数设置为相等(L₁=L₂=400nm、W₁=W₂)。图2a给出了对于不同的宽度W₁=W₂=40nm、60nm、80nm时，透过率随波长的变化曲线，从图上可以看出每个透过率曲线都有一系列的波谷和波峰，它们分别是由于伍德异常和激发SPP共振引起的，同样孔径支持的非传播（截止）模式引起的LSP共振也产生一个波峰。从图2a中透过率谱线中同样能看出随着环形缝隙宽度的减小，LSP共振峰会出现很明显的右移，并且最大透过率高达90%，相比于SPP共振峰有很大提高。由于在1000nm-2000nm波段范围内的LSP共振峰具有高透过率以及对环形狭缝宽度比较敏感的特性，因此可以利用这一现象来更加容易地控制透过场特性。图2b给出了当W₁=W₂=60nm时透过率曲线以及相对于无银膜存在情况时的相移曲线，从图中可以看出在共振峰附近相移变化约为π/2，并且在共振最高点相移曲线变化率达到最大，因此可以通过改变环形孔径从而控制LSP共振来很好地控制位相的变化。

从物理机能这一方面来说，嵌入在金属银膜上的环形孔径在LSP共振效应中起着至关重要的作用，银膜上环形孔径的尺寸效应对LSP共振以及对应的透射场位相有重要的影响。图3a-3d给出了不同的偏振方位角下环形孔径效应对透射场的影响，为了简化起见，环形孔径沿y方向的宽度W₁固定在80nm不变，只改变沿x方向的宽度W₁分别为40nm、60nm、80nm，设L₁=L₂=400nm，周期P=600nm，银膜厚度H=200nm。当偏振角

为0°时，透射场的归一化透过率以及位相随波长变化的曲线基本保持不变，如图3a、3b所示；当偏振角

为90°时，透射场的透过率以及位相变化曲线随着W₂的变化而发生改变，如图3c、3d所示，并且随着W₂的减小LSP共振峰向右移动，这与图2a的结果相一致，同样图3d中位相的变化随着W₂的变化也很敏感，尤其是在共振峰附近会出现一个突变。这就说明，如果入射的偏振角

为45°，它将会激发两个独立的共振，分别对应于沿相互正交的x和y方向的两电场分量。图3揭示了通过固定沿一个方向的狭缝宽度W₁，只改变沿另一个方向的宽度W₂，从而易于控制透过率以及透射场沿两正交方向分量的位相，这样避免了复杂的相互耦合效应。

现在定义透射电场沿x(0°)、y(90°)两正交方向分量的振幅和位相分别为E_x，E_y和

两分量之间的位相差定义为

位相差φ将决定着透射光的偏振态。图4给出了当W₂变化时位相差φ的变化曲线，可以看出当W₁=W₂=80nm时，环形孔径沿x、y方向宽度相同时位相差为0°，当打破这种对称性后，将会看到位相差随波长的明显变化，即在W₂为40nm、60nm的情况下，如图4所示。这样就形成了在LSP共振峰附近任意波长处实现等离子1/4波片的物理基础，即利用嵌有图案的超薄银膜，固定W₁不变同时而优化W₂，使透射场的两正交分量的位相差为π/2。

对于一个1/4波片，其最主要的一个功能就是实现线偏振光与圆偏振光之间的相互转换，为了得到透射的完美圆偏振光，在保持两正交方向分量位相差为π/2的基础上，这两个方向的振幅分量也要相等，即E_x=E_y。

图5给出了当入射线偏振光的偏振方位角为45°时，通过优化在1.55um波长处得到的等离子1/4波片，其中结构的周期P为550nm，银膜的厚度H为205nm，L₁=L₂=370nm，W₁=80nm，W₂=46nm。如图5a所示，沿x、y两正交方向的振幅分量随波长的变化曲线，它们的交点即为E_x=E_y，恰好对应于1.55um波长处；图5b给出了沿x、y两正交方向的位相大小以及它们之间的位相差，从图上我们看出在1.55um波长处位相差为π/2，与振幅相等点的波长相一致，这就意味着，当入射的线偏振光的偏振方位角为45°时，等离子1/4波片结构在1.55um波长处能将其转化成圆偏振光，从图5a中可以看出光的透过率高达46%。图6更进一步展示出了两正交方向上的振幅比与位相差，可以看出在1.50μm到1.61μm波段范围内，位相差变化低于2%，这个波段范围覆盖了光通信带宽的主要波段。在这一波段范围内，振幅比变化从0.78到1.3，如图5a所示。

透射的椭圆偏振光的椭圆率用η来表示，η与椭圆的短轴a与长轴b有关，即η=tan(ξ)=a/b，当然η也可以通过图6中的振幅比与位相差来表示，即

，其中χ由tan(χ)=E_y/E_x得出；同样椭圆相对于x轴的偏转角β由公式

给出。对应于两正交方向上振幅比和位相差数据，透射偏振光的椭圆率和偏向角随波长的变化曲线如图7a所示，在位相差变化低于2%范围，即1.50μm到1.61μm波段范围内，椭圆率变化在0.77到1之间，椭圆偏向角为从-3.5°到4°，图7b展示了在1.50μm、1.55μm、1.61μm波长处透射的椭圆偏振光的示意图，我们可以明确地看到在1.55μm波长处透射光为一个非常完美的圆偏振光。

在本实施方式中，我们只是固定了W₁不变，从最初的结构(W₁=W₂)逐渐减小W₂来优化设计从而实现位相差φ=π/2；同样也可以通过逐渐增大W₂的方法，实现位相差φ=-π/2，并且得到的透射圆偏振光的旋转方向与本实施方式中得到的圆偏振光的旋转方向相反。

由以上技术方案可以看出，本发明通过时域有限差分方法的数值模拟，利用放置在SiO₂基底上嵌有亚波长矩形环形孔径阵列的超薄银膜结构，实现了等离子1/4波片的方法。通过优化设计，本发明展示了在1.55μm波长处实现由线偏振光到圆偏振光的完美转化，结果表明光的透过率高达46%，并且在110nm的超宽波长范围内，透射电场两正交分量的位相差变化低于2%。由于此亚波长矩形环阵列四分之一波片具有结构简单、易于集成等优点，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种亚波长矩形环阵列四分之一波片，其特征在于，所述波片包括SiO₂基片及位于所述基片上的银膜，所述银膜由若干周期性的二维环形孔径阵列构成，二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等、宽度W₁、W₂不等，当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的位相

满足或

并且当

时，振幅分量E_x、E_y相等。

2.根据权利要求1所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片，其特征在于，所述入射的线偏振光的波段范围为1.50μm～1.61μm。

3.根据权利要求1所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片，其特征在于，所述宽度W₂小于W₁时，位相分量

满足

宽度W₂大于W₁时，位相分量

满足

4.一种如权利要求1所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、优化设计二维环形孔径，使得相邻的两个孔径长度L₁、L₂相等，宽度W₁、W₂不等，同时当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

S2、提供SiO₂基片；

S3、在所述SiO₂基片上生长一层银膜；

S4、在所述银膜上形成若干周期性的二维环形孔径阵列。

5.根据权利要求4所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，其特征在于，所述方法中“优化设计二维环形孔径”具体包括：

确定二维环形孔径中相邻的两个孔径长度L₁、L₂，其中L₁=L₂；

确定一个孔径宽度W₁或W₂，优化另一个孔径宽度W₂或W₁，使得当入射的线偏振光以偏振方位角

从基片下方入射时，通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或

6.根据权利要求5所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，其特征在于，所述“优化设计二维环形孔径”还包括：

确定孔径宽度W₁，逐渐减小W₂，使得通过基片和银膜后的处透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或，

确定孔径宽度W₁，逐渐增大W₂，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量满足

或，

确定孔径宽度W₂，逐渐减小W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量

满足

或，

确定孔径宽度W₂，逐渐增大W₁，使得通过基片和银膜后的透射场沿两正交方向分量的振幅分量E_x、E_y相等、位相分量满足

7.根据权利要求5所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，其特征在于，所述优化设计方法采用时域有限差分方法进行数值模拟透射场振幅分量和位相分量。

8.根据权利要求4所述的亚波长矩形环阵列四分之一波片的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中在银膜上形成若干周期性的二维环形孔径阵列通过电子束光刻或聚焦离子束刻蚀方法形成。

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