CN103645565A

CN103645565A - 一种亚波长等离激元偏振转换器

Info

Publication number: CN103645565A
Application number: CN201310667217.3A
Authority: CN
Inventors: 黄成平; 张勇
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103645565B

Abstract

本发明公开了一种亚波长等离激元偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；两个偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。当两个小孔的夹角为90度时，入射偏振片只允许一种偏振的电磁波耦合进入，而出射偏振片只允许与前者偏振方向正交的电磁波出射。利用正交的矩形小孔之间的近场耦合效应，该系统能够突破马吕斯定律的限制，使得电磁波产生有效的透射且偏振方向旋转90度。该转换器可用作单向传输器、亚波长开关和调制器。

Description

一种亚波长等离激元偏振转换器

技术领域

本发明涉及一种亚波长等离激元偏振转换器，该转换器由一对刻有亚波长小孔的金属偏振片构成，它可以将电磁波的线偏振方向旋转90度。该转换器还可用作单向传输器、亚波长开关或调制器。

背景技术

传统的偏振器及偏振转换器主要是基于自然材料的二向色性、双折射效应或光学活性等特性，由此可产生线偏振光或改变光波的偏振态。众所周知，利用二个线偏振片可产生线偏振光并可将光的偏振方向加以旋转。不过，根据马吕斯定律，光的透射效率将随着偏振片旋转角度θ的增大而减小。当θ=90°时，光的透射效率变为0。这意味着，光无法通过两个极化方向正交的偏振片，利用正交的偏振片也无法获得偏振方向90度的旋转。与此不同，利用波片的双折射和相位延迟效应，入射光波的偏振方向或偏振态可有效地加以控制。特别是，当入射偏振与半波片的光轴成45度夹角时，线偏振光的振动方向可旋转90度。此外，由于某些物质具有自然旋光性或法拉第效应，光波的偏振面随着传播距离逐渐发生旋转。因为旋转角度与通光距离成正比，故光的偏振方向可自由地进行调控。然而，由于较弱的双折射特性或较小的旋光系数，上述效应的实施需要较强的外加磁场或较大的通光距离（通光距离远远大于电磁波长）。这对微纳光子学元器件的开发和集成而言是一个十分不利的因素。

近来，微结构的表面等离激元材料（即金属材料）为开发亚波长的电磁波偏振器和转换器提供了新的途径。由于金属独特的介电响应，电磁场能够与金属表面自由电子振荡产生耦合，形成表面等离激元或局域等离激元共振。通过表面等离激元材料的微结构设计和研究，人们陆续发现了许多有趣的物理效应，如增强透射效应、光束准直效应、负折射效应等。在偏振特性上，一维金属狭缝光栅、二维椭圆形或矩形小孔阵列的透射具有强烈的偏振依赖性，可用以研制亚波长偏振器。基于增强透射效应，刻有亚波长小孔（如L或S形小孔阵列）的单层或双层金属膜也可用于偏振转换，如实现90度的偏振旋转。不过，这些偏振转换器通常具有较低的转换效率或较窄的工作带宽（或运用于特定的工作波长）。另一方面，基于亚波长金属开口环、金属棒等粒子，人们构造了复合的超构材料。这些材料可拥有各向异性（类似于波片）或光学活性（手性材料）等性能，从而为实现各偏振态的转换提供可能。然而，亚波长的超构材料通常具有制备复杂且损耗较大的缺点，这限制了其在短波长特别是可见和近红外波段的应用。

发明内容

为了解决目前90度的偏振转换器所具有的效率低下、带宽较窄或制备复杂的缺点，本发明提供了一种亚波长偏振转换器，该转换器不仅结构简单，而且转换效率高、工作带宽大。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种亚波长等离激元偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。

两个小孔形成的夹角为0～90度。

所述偏振片的形状为矩形或者圆形等；入射偏振片和出射偏振片上的小孔为矩形、椭圆形或梯形等，偏振片和小孔的形状不限。

入射偏振片和出射偏振片的间距为亚波长。入射偏振片和出射偏振片上的小孔为周期性排列或非周期性排列。

本发明利用二个极化方向正交的表面等离激元偏振片之间的近场耦合效应实现线偏振90度的旋转。入射偏振片只允许一种偏振的电磁波耦合进入，而出射偏振片只允许与前者偏振方向正交的电磁波出射。这里，入射和出射金属偏振片均刻有矩形亚波长小孔；从通光方向看，二个偏振片的对应小孔之间成垂直L形交叉。这一配置可增强两个正交偏振态之间的耦合效应，进而提高透射/转换效率并扩大工作带宽。

本发明的科学价值在于揭示了一种异常的透射效应：电磁波能够通过两个极化方向正交的表面等离激元偏振片。这一效应突破了传统的马吕斯定律的限制。本发明的应用价值在于该转换器能够实现90度的偏振转化，且转换效率高、工作带宽大；而且除了马吕斯定律所禁止的正交方向，还可以将入射线偏振切换到任意偏振方向，实现“万向”的偏转转换。在红外波段，透射或转换效率可达52%，工作带宽可达12%。在微波段，透射效率可达100%，工作带宽可达15%。该偏振转换器的厚度为亚波长，其结构简单，易于制备和集成，可应用于光频、太赫兹或微波段。此外，该转换器还可用作单向传输器、亚波长开关和调制器。

附图说明

图1（a）是本发明的结构示意图，（b）是两个小孔形成的单个元胞的侧面视图，（c）是单个元胞的正面视图。

图2是利用聚焦离子束（FIB）系统在Au/SiN/Au上加工正交的出射（图a）和入射（图b）偏振片的局部扫描电镜（SEM）图片。

图3是实验测量（图a）和理论模拟（图b）的透射曲线。

图4是模拟计算的入射偏振片（图a）和出射偏振片（图b）的电流分布。

图5（a）是不同孔阵周期的透射效率Txy曲线，（b）是不同SiN厚度时的透射效率Txy曲线。

图6（a）和（b）分别是微波段加工的单个偏振片和正交配置的偏振转换器的实物图片，（c）是理论计算和实验测得的单个偏振片的透射曲线,（d）是理论计算和实验测得的偏振转换器的透射曲线。

图7（a）是偏振转换器在不同间距下的理论和实验透射效率Txy曲线，（b）是偏振转换器在不同矩形小孔边长下的理论透射效率Txy曲线。

图8（a）是30度倾斜角的出射偏振片的实物图,（b）是实验（上）和理论（下）的不同L型“交叉”夹角的透射曲线。

图9（a）是“万向”偏振转换器的入射或出射偏振片的结构示意图，（b）是局部小孔的设计示意图，（c）是“万向”偏振转换器的入射或出射偏振片的实物加工图片，（d）是实验测量的“万向”偏振转换器在不同旋转角度下的透射曲线。

具体实施方式

图1给出了偏振转换器的结构示意图以及单个元胞的侧面、正面视图。该转换器由两个刻有亚波长矩形小孔的金属膜/片M构成，两者由电介质（或空气）层I间隔。金属膜上的矩形小孔阵列的周期皆为d，其余结构参数如图1所示。从通光方向看，两层矩形小孔之间成垂直L型“交叉”，即交叉夹角为90度。这里设定入射面小孔的长边沿着水平y方向，x偏振的电磁波垂直入射于金属表面。这一系统可保证只有电磁波的x偏振分量才能耦合进入，且只有y偏振分量才能出射。这样，如果出现透射的话，必然导致线偏振90度的旋转。下面结合附图以红外（图2-5）和微波段（图6-9）作为三个实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为第一个实施例，偏振转换器的工作频率位于光频段。该转换器由金膜/氮化硅/金膜三明治结构构成，金膜上分别制备有预先设计的微结构。在实验过程中，首先利用磁控溅射在悬空的50纳米厚的氮化硅薄膜两侧分别镀上100纳米厚的金膜，然后利用聚焦离子束（FIB）系统在两侧的金膜上分别制备亚波长小孔阵列。制备的小孔阵列的周期为600纳米，矩形小孔的长为400纳米、宽150纳米，整个阵列的尺寸为50微米*50微米。为了使得两侧的矩形小孔能够对准成L型“交叉”，在加工过程中样品的四个角落用FIB分别制作了四个贯穿的标记，用以辅助定位和加工。图2（a）和图2（b）分别为出射和入射偏振片的局部SEM图片。从图2（b）可以看出，两侧加工的矩形小孔相互对应，基本成L型垂直“交叉”。

图3（a）给出了该偏振转换器的实验测量结果。图中实心和空心标记分别代表出射波为y和x偏振的透射效率。从测试结果可以看出，在整个测试波段内，出射光中并无有效的x偏振分量；这也反映了出射面矩形小孔的良好的偏振特性。然而出射的y偏振分量，即与入射偏振相垂直的分量，在800纳米、1000纳米和1340纳米附近分别取得透射效率的极大值。特别是在1000纳米附近，透射效率达到40%，半高宽或工作带宽约为80纳米（相对带宽为8%）。为了验证上述实验结果，图3（b）给出了基于时域有限差分（FDTD）方法模拟计算的该结构的透射谱。在计算过程中，氮化硅的折射率设为n_I=2.0，金的介电常数采用了Drude模型：其中ω_p=1.37×10¹⁶rad/s，γ=8.5×10¹³Hz。计算结果显示，理论和实验能够很好地吻合。这些结果一致表明，在特定波段，两个正交的表面等离激元偏振片不仅能产生有效的透射，而且还能使光的偏振方向旋转90度。

理论分析表明，这些透射峰的产生与两个金属膜间的内部表面等离极化激元（ISPP）的激发有关。ISPP的激发条件可近似表达为k_ISPP=G_mn，其中

（δ=22nm为金属的趋肤深度，m和n为两个整数）。因而ISPP的共振波长近似为

据此，800纳米、1000纳米和1340纳米处的透射峰可分别归功于对应(2,1)、(2,0)、(1,1)倒格矢的ISPP激发[(1,0)倒格矢激发的透射峰位于测量波长范围之外]。由于1000纳米处的透射峰非常靠近矩形小孔的截止波长（矩形孔的截止波长为

纳米），因而其透射效率也远高于其它的透射峰。但是，什么原因导致电磁偏振的转化呢？实际上，在双层穿孔金属膜内，ISPP的激发必将和矩形小孔的波导模产生耦合（波导模又和小孔周围的电子振荡相关联）。不仅如此，两层金属膜上的矩形小孔也会发生相互作用。这些互作用使得系统的共振波长偏离理想的ISPP共振，也使得系统的电磁偏振发生改变。为了简要说明这个问题，本发明用FDTD方法模拟了波长为1000纳米处的金属偏振片内部的电流分布图。图4（a）显示的是入射偏振片xy面内的电流分布（金属的一半厚度处）。在x偏振的入射电磁场和ISPP的共同作用下，入射端小孔内的电磁场或波导模获得增强。波导模的激发在小孔周围伴随着环绕电流并同时聚集正负电荷。这些环绕电流和聚集的正负电荷将和出射偏振片的矩形小孔产生耦合作用，即在出射小孔附近感应出新的正负电荷和环绕电流（图4（b））。后者在出射小孔内激发电磁场并产生y偏振的电磁辐射。

上述分析表明增强透射和偏振转换效应起源于ISPP共振增强的近场耦合效应。这一效应将依赖于晶格周期d和两个偏振片之间的间距h（也就是氮化硅层的厚度）。图5（a）给出了不同周期下的模拟透射谱T_xy（d=550,600,650纳米；h=50纳米）。随着周期的增加，透射峰发生明显的红移；红移的幅度与ISPP共振预言的结果基本相当。图5（b）给出了理论计算的不同间距h下主峰的透射效率曲线（T_xy）。当h=30纳米时，透射峰位于1080纳米，透射效率为12.5%。随着间距的增加，ISPP共振波长将逐渐减小，透射峰蓝移（不过，当h>>δ时，这一变化趋势将变缓并趋于消失）。与此同时，由于蓝移的透射峰逐渐靠近截止波长，透射效率增大。在截止波长附近，ISPP模和入射、出射偏振片的波导模发生强烈的耦合作用，导致透射峰发生劈裂。分裂的两个透射峰随着h的增大逐渐分离，并在h=80纳米时透射效率达到最大值。模拟显示，双峰的产生与双孔作用形成的对称和反对称模式有关。也就是说，入射小孔在图4（a）的电荷和电流分布下，出射小孔可产生如图4（b）的分布模式或和图4（b）完全相反的电荷电流模式。透射峰的分裂效应可用以构造宽带的偏振转换器。比如，当h=80纳米时，透射或转换效率达到52%，半高宽可达122纳米，相对带宽约为12%。不过，随着h的进一步增大，两层小孔之间的耦合作用得以消弱，双峰的透射效率将显著降低。

实施例2

作为第二个实施例，偏振转换器的工作频率位于微波段。图6（a）和图6（b）分别为利用水切割（水刀）加工而成的单个偏振片和偏振转换器的实物图片。穿孔金属平板由铝材构成，其厚度为t=1.5毫米，孔阵的周期为d=60毫米，矩形孔的边长为l=40毫米、宽w=10毫米。整个样品的边长为660毫米，共包含11*11个矩形小孔。转换器的两个金属平板由空气层间隔，小孔成L型垂直“交叉”，且平板间距可自由调节。图6（c）给出了实验测量的单个偏振片的透射谱（圆和方块）。实验在入射偏振x方向上探测到2个透射峰（T_xx，方块）：主峰位于3.53GHz，次峰位于5.92GHz。主峰的透射效率达到98%；如果对小孔的面积占空比进行归一化，则归一化透射效率将达到880%。这一效应正是穿孔金属膜的增强透射效应。另外，实验测量了与入射偏振正交的y偏振方向的透射效率（T_xy，圆）。在整个测试波段2-7GHz范围内，该偏振的效率小至可忽略不计。这表明，在测试的微波波段内（尤其在透射峰附近），该偏振片具有良好的偏振特性。测试结果和FDTD计算（见实线和虚线）能够较好的吻合。图6（d）给出了偏振转换器在两个偏振片间距为h=10毫米时的实验和理论透射效率曲线。实验发现，在入射偏振为x方向的情况下，x偏振的出射信号在整个测试波段内几乎为0（T_xx，方块）。与此相反，y偏振的出射信号在3.6GHz和6.0GHz附近出现两个透射极大（T_xy，圆）。在3.6GHz，透射峰的效率达到了98%。这表明，在微波段入射电磁波也能有效透过该类型的偏振转换器：不仅电磁波的偏振方向旋转了90度，而且透射或转化效率接近100%。值得注意的是，实验和理论发现上述效应的工作带宽（半高宽）约为400MHz，相对带宽达到11%。这与光频段的结果基本相当。在微波段，虽然金属表面真实的SPP模并不存在，但通常认为金属表面结构的调制可产生“伪”表面等离激元（spoof SPP）模。后者将起着类似SPP的作用并产生增强透射。可以理解，上述偏振转换效应的出现与“伪”表面等离激元共振以及双层小孔间的近场耦合效应密切相关。

微波段的偏振转换效应可以利用结构参数的改变自由调控。一方面，近场耦合效应强烈依赖于两个正交偏振片之间的距离。当两个偏振片之间的距离增大时，这一耦合效应必将减弱。图7（a）描绘了实验测量和理论计算的不同偏振片间距下的透射谱（这里只给出y分量的透射效率T_xy，T_xx可忽略）。容易看到，理论（实线）和实验（实心标记）吻合良好。随着偏振片间距的增大（h=10-30毫米），透射峰的位置仅仅发生微小的红移（显示出耦合模能量的减小），但是透射效率显著降低。当h=30毫米时，透射效率已不足2%。这表明，当偏振片距离较大时，电磁波的透射被隔断；而当距离较小且允许近场耦合时，马吕斯定律的限制将被打破。这一现象可用以构造亚波长调制器或开关，即通过控制偏振片的距离来调节微波透射效率或实现微波的通与断。另外发现，当h小于10毫米时，透射峰发生劈裂。这同样与强烈作用所导致的对称和反对称模式有关。这一效应也可用于开发宽带的微波偏振转换器。比如，当h=5毫米时，所得的半高宽可达540MHz，相对半高宽约为15%。另一方面，通过调节结构参数可以调控该效应的工作频率，使得它能够在不同的频率需求下运作。一个方法是根据频率需求按比例缩减系统的尺寸，或者单纯地改变小孔的大小。图7（b）给出了理论计算的三个不同小孔长度（l=40，35，30毫米，h=10毫米；其它参数不变）下的透射谱（T_xy）。结果显示，随着小孔边长（和截止波长）的减小，透射峰从3.6GHz移到3.9和4.2GHz，且透射峰处的偏振转换效率都接近100%。

实施例3

基于上述结果，本发明进而提出一个“万向”偏振转换器的设计方法。该转换器可以将入射线偏振切换到任意偏振方向，包括马吕斯定律所禁止的正交方向。为实现这一目的，这里提出两种方案。第一种方案作为过渡方案，它使用图6（a）中的偏振片作为入射偏振片，而出射偏振方向通过不同的出射偏振片加以控制。出射偏振片仍由金属铝板构成，上面刻有周期性的倾斜矩形小孔（矩形小孔的长边与水平方向的夹角θ可根据需要设定；入射和出射偏振片的对应矩形小孔形成∠形“交叉”）。作为例子，图8（a）给出θ=30度时的出射偏振片的实物图片。图8（b）给出了实验测量（上）和理论计算（下）的不同倾斜角度θ下的透射谱（输出电场分量与出射小孔长边垂直）。可以看到，在3.6GHz附近，转换器能够产生有效的输出。当θ=0度时，透射效率的最大值为55%；当θ=30、45、60和90度时，透射或转换效率的峰值大于90%甚至于接近100%。除0度以外，一般的相对工作带宽介于10%和17%之间。

第二种方案采用一个单个的偏振转换器实现上述所有功能，从而实现“万向”偏振转换。该“万向”偏振转换器由两个相同的圆形偏振片构成，其中入射偏振片固定，出射偏振片可绕着中心轴自由旋转。图9（a）给出了入射或出射偏振片的结构设计图。每个偏振片在半径为d、2d、3d和4d的同心圆周上“均匀”地刻有亚波长矩形小孔，且所有的矩形小孔平行排列。这里，“均匀”是指利用径向直线将圆周均匀分割，在径向直线与圆周的交点处刻出矩形小孔：该交点距离小孔的上、下和左侧分别为w/2[见图9（b）]。为避免近邻的小孔相互交叠，在半径为d的圆周上小孔具有准8重旋转对称性；在半径为2d的圆周上，小孔具有准12重旋转对称性；在半径为3d和4d的圆周上，小孔具有准24重旋转对称性。这样，通过旋转出射偏振片以一定的角度（比如15、30、45、60、75、90度等），两个偏振片的对应矩形小孔之间能够形成相同夹角的∠或L形“交叉”。因而，基于近场耦合效应，入射偏振可向其它方向切换。图9（c）给出了实验制备的偏振片的实物图片。这里，整个样品的直径为600毫米，同心圆周的间距为d=60毫米，小孔的尺寸、铝板的厚度与先前相同。图9（d）为实验测量的不同旋转角度（0、30、45、60、90度）下的透射谱（输出电场分量与出射小孔长边垂直）。由图可见，在不同的旋转角度下，该转换器都能够在3.5GHz附近产生有效的透射（与周期结构相比，由于缺少周期性，其透射效率得到一定程度的消弱）。这些结果也表明，通过旋转出射偏振片，该转换器可将微波的偏振方向加以旋转（包括90度），且转换效率能够维持在较高的水平。与之相比，两个传统偏振片的透射或转换效率随着旋转角度的增大而减小，且在极化方向正交时光的透射被切断。此外应该指出，在其它的旋转角度时，虽然两个偏振片的矩形小孔之间偏离∠或L形“交叉”，但近场耦合效应仍能产生有效的偏振转换。可见，“万向”偏振转换器为线偏振方向的调控提供了有力的工具。

在实际应用中，材料结构参数可以根据需要进行适当调整或改变。比如，金属的厚度、孔阵的周期、矩形小孔的大小以及电介质的折射率等，都可以自由调控。两个偏振片的矩形小孔还可以由相同的尺寸变为不同的尺寸，以改善带宽。而且，矩形小孔还可以利用椭圆形或梯形等狭长形小孔来代替。此外，除了光频和微波段，本发明可以自然地推广到太赫兹波段。这些改变都不违背本发明的精神。值得注意的是，除了偏振转换器、亚波长调制器或开关，本发明还可用作单向传输器。即x偏振的电磁波能够沿着z向有效地传播，而同一偏振的反向传播被严格禁止。这些有可能在构造新型微波器件上获得潜在的应用。

Claims

1.一种亚波长等离激元偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔，其特征在于，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，在通光方向上，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。

2.根据权利要求1所述的一种亚波长等离激元偏振转换器，其特征在于，所述夹角为0～90度。

3.根据权利要求1或2所述的一种亚波长等离激元偏振转换器，其特征在于，所述偏振片的形状为矩形或者圆形；所述入射偏振片和出射偏振片上的小孔为矩形、椭圆形或梯形。

4.根据权利要求3所述的一种亚波长等离激元偏振转换器，其特征在于，所述入射偏振片和出射偏振片的间距为亚波长。

5.根据权利要求1所述的一种亚波长等离激元偏振转换器，其特征在于，所述入射偏振片和出射偏振片上的小孔为周期性排列或非周期性排列。