CN104316988A - 一种单层平面手性金属结构圆偏振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单层平面手性金属结构圆偏振器,属于电磁波器件，涉及光学、太赫兹、微波和其它频段电磁波技术领域，该圆偏振器由具有平面手性的单层金属结构组成，利用单向模式转换的原理实现圆偏振器功能。该圆偏振器易于加工和集成，同时厚度薄、尺寸小、结构紧凑，对左旋和右旋圆偏振电磁波具有很好的甄别效率和较低的器件吸收损耗，透过率高。通过改变圆偏振器的尺度和结构设计，可以在光学、太赫兹、微波等不同的电磁频段实现圆偏振功能。该圆偏振器可以实现低成本、大面积的制作，在光学显微、三维显示、激光技术、通信、雷达等领域有着重要的应用。

Description

一种单层平面手性金属结构圆偏振器
技术领域
本发明属于电磁波器件，涉及光学、太赫兹、微波和其它频段电磁波技术领域，具体涉及一种单层平面手性金属结构圆偏振器。
背景技术
圆偏振器是光学、太赫兹、微波和其它电磁波领域的一种重要的偏振元器件，它在光学显微、三维显示、激光技术、通信、雷达等领域都有着重要的应用。目前，在光学领域，通常利用线偏振器和四分之一波片两个分立元器件构成圆偏振器。这种结构最大的不足是使用了两个分离的光学元件，因此器件尺寸大，不利于集成。同时，受四分之一波片工作波长范围的限制，这种器件通常工作波长范围较窄。类似的结构也可以用于太赫兹波段。但受到材料等的限制，在太赫兹领域，有效的圆偏振器目前还比较匮乏。在微波和其它电磁波波长相对较长的电磁波领域，人们同样希望能够获得集成、结构简单、易于制作的圆偏振器。
利用单一集成结构器件实现圆偏振器具有重要的意义。在以往的研究与发明中，人们通常利用三维手性结构，如多层旋转或者三维螺旋结构来实现这样的器件：2009年9月，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员提出了一种基于螺旋状金属线栅的圆偏振器(Justyna K.Gansel etal，“Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer”,Science 325,1513(2009)；在专利申请中(“一种螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 101782666 A，公开日：2010.07.21；“一种双螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 101852884 A，公开日：2010.10.06；“螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 102073088 A，公开日：2011.05.25)，先后提出三种不同的基于螺旋状金属线栅的圆偏振器，所述圆偏振器可以工作在可见光～近红外波段，具有较高的信噪比，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。然而，这类基于空间三维螺旋结构的圆偏振器加工极其困难，特别是在可见和近红外波段，已经超出了目前的技术能力，而且加工成本昂贵，难以大量生产。为了克服加工上的困难，美国德州大学奥斯汀分校的Y.Zhao等人于2012年提出利用多层相对扭转一定角度的双各项异性人工平面结构来实现圆偏振器(Y.Zhao et al,“Twisted optical metamaterials for planarized ultrathinbroadband circular polarizers”,Nature Communications 3,870(2012)),这种结构虽然可以利用平面加工工艺制作，但是需要加工多层结构，工序复杂。而且其设计的结构产生圆偏振光的消光比不高，效果并不是非常理想。
发明内容
本发明针对现有圆偏振器通常采用多层旋转或者三维螺旋结构，加工复杂、难以实现的问题，提出一种单层平面手性金属结构圆偏振器,该圆偏振器由单层平面结构组成，易于加工和集成，同时，该圆偏振器具有厚度薄、尺寸小、结构紧凑，对左旋和右旋圆偏振电磁波具有很好的甄别效率和较低的器件吸收损耗，透过率高的优点。
为了实现上述技术目的，本发明提出的圆偏振器由基板和位于基板上的亚波长金属粒子阵列组成，所述基板为对工作电磁波透明的介质；该圆偏振器的特征在于：
所述金属粒子阵列为单层平面手性结构：所谓单层，即组成金属粒子阵列的单个金属粒子金属粒子由连续的金属材料组成，且其几何形状可由底部二维截面沿高度方向(图1中所示为z轴方向)拉伸获得，顶部截面或者与底部截面形状完全相同，或者与底部截面相似(按一定比例放大或者缩小：边长之比在1:10到3:1之间)；所谓平面手性，是指单个金属粒子在平行于基板的任意一个水平截面内不存在对称线；金属粒子之间填充有对工作电磁波透明的介质；金属粒子阵列均匀排列，周期均小于工作电磁波的波长；金属粒子的厚度大于λ/(5n)，其中λ为工作电磁波的波长，n为金属粒子之间的填充材料对工作电磁波的折射率。
优选地，通过按照一定比例均匀的缩小或者放大金属粒子的尺寸，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。金属粒子的尺寸与工作电磁波的波长成近似的线性关系。例如，如果将金属粒子的长度、宽度、厚度及排布周期均放大十倍，则工作电磁波的波长将放大约十倍。
优选地，通过改变金属粒子间隙间的填充材料，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。在保持金属粒子结构尺寸不变的情况下，工作电磁波的波长与金属粒子之间填充透明材料的折射率成近似的线性关系。例如，在近红外光波段，当填充材料由折射率为1的空气变为折射率为1.5的二氧化硅时，工作电磁波的波长将大约增加到原来的1.5倍。
优选地，所述金属粒子的材料可以是金，也可以是铂、银、铝、铜、钛、铝合金、不锈钢。
优选地，所述金属粒子阵列由对工作波段电磁波透明的材料覆盖。
本发明的技术效果在于：
1.采用单层平面手性金属结构，相比于三维螺旋或者多层扭转结构，可以采用光刻、纳米压印等加工手段加工相关结构，极大的降低了加工的难度和加工成本；
2.本发明所述的圆偏振器，厚度小、易于集成；
3.本发明所述的圆偏振器的偏振消光比大于1000:1，偏振光的最大透过率大于90％；
4.通过改变器件的尺度和结构设计，可以工作在光波段从紫外到红外、太赫兹以及微波等不同的电磁波频段，适应于偏振分光、光学显微、三维显示、激光技术、太赫兹成像、卫星通信、雷达等领域。
附图说明
以下将基于例示性视图更详细地说明本发明。本发明不限于例示性实施例。在此说明和/或显示的所有特征在本发明的实施例中可以单独使用或以不同组合相结合。本发明的各个实施例的特征和优点将通过以下参照附图的详细说明变得清楚，在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为组成本发明所述单层平面手性金属结构圆偏振器的金属粒子单元结构参数示意图；
图3为圆偏振器的透射率曲线：
a.右旋圆偏振光入射时的总透射率和左旋圆偏振光入射时的总透射率；
b.右旋圆偏振光入射时的偏振转换透射率和左旋圆偏振光入射时的偏振转换透射率；
图4为圆偏振器的反射率曲线：
a.右旋圆偏振光入射时的总反射率和左旋圆偏振光入射时的总反射率；
b.右旋圆偏振光入射时的偏振转换反射率和左旋圆偏振光入射时的偏振转换反射率
图5为实验制作的光波段圆偏振器在电子显微镜下的照片：
a.倾斜52度；
b.倾斜0度；
图6为四种典型平面手性结构的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步介绍。
以往的研究已经表明，利用平面手性结构，可以实现左旋偏振光和右旋偏振光的非对称传输(V.A.Fedotov et al,“Asymmetric Transmission of Light and Enantiomerically SensitivePlasmon Resonance in Planar Chiral Nanostructures”,Nano Letters 7,1996(2007))。然而，过去人们研究的平面手性结构，左旋偏振光和右旋偏振光的透射率相差都在0.2以内，不可能用于实现圆偏振器。其原因在于，以往研究的平面手性结构厚度往往都很薄，不超过工作电磁波厚度的十分之一，其工作原理是基于左旋偏振光和右旋偏振光在平面手性结构中激励的不同平面共振模式,其效应不足以有效的甄别左旋和右旋偏振光以实现圆偏振器的功能。
本发明的原理是基于单向的模式转换：即将入射的右旋(左旋)偏振电磁波完全转化为左旋(右旋)偏振电磁波透射，同时将入射的左旋(右旋)偏振电磁波完全地反射为左旋(右旋)偏振电磁波。本发明要求单层金属粒子具有足够的厚度，即大于λ/(5n)，其中λ为工作电磁波的波长，n(n≥1)为金属粒子之间的填充材料对工作电磁波的折射率，以便能够在平面手性结构中激励不同的波导模式，利用电磁波传输方向的模式干涉，实现有效的模式转换。通过增加填充材料的折射率，可以减小本发明的圆偏振器的实际厚度。
图1所示为本发明所述单层平面手性金属结构圆偏振器一个实施例的结构示意图、图2为单个金属粒子阵列单元的结构参数示意图。如图1、图2所示，本发明在透明介质基底1上制作均匀周期分布的单层两臂不对称的L型金属粒子阵列2；所述金属粒子阵列2之间为空气或者填充有折射率为n(n≥1)的透明介质，所谓透明是指介质为对工作电磁波透明的介质；金属粒子高度方向的尺寸t大于λ/(5n)，其中λ为工作电磁波的波长，n(n≥1)为金属粒子之间的填充材料对工作电磁波的折射率。如图2所示，单个金属粒子单元两个臂宽分别为Wx、Wy。金属粒子阵列2的周期通过金属粒子之间沿x坐标方向的排列间隔Px和y坐标方向的排列间隔Py进行确定，Px和Py均小于工作电磁波波长λ。
国防科学技术大学设计了一个工作在光波段中近红外波段的光学圆偏振器。在石英玻璃基板上均匀分布的两臂不对称的L型金粒子，金粒子之间的间隙中填充有折射率与基底相同的玻璃材料，金粒子的高度t为360纳米，x，y坐标方向臂长Lx、Ly均为580纳米；x坐标方向臂宽Wx为250纳米，y坐标方向臂宽Wy为160纳米；金粒子之间沿x坐标方向和y坐标方向的排列间隔Px、Py均为730纳米；
图3(a)中，两条曲线分别展示了近红外波段光波正入射该圆偏振器时右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的透射率；在1460纳米至1600纳米的波长范围内，所述圆偏振器对右旋偏振光入射时的透过率大于0.8,对左旋偏振光入射时的透过率小于0.015，消光比大于50:1。右旋光最大的透过率超过0.93，右旋光与左旋光最大的消光比超过了1000:1。
进一步的，图3(b)展示近红外波段光波正入射该圆偏振器时的偏振转换透射谱。通过该图，我们可以更好的理解本发明所述圆偏振器的工作原理及其技术效果。由于本发明的圆偏振器具有平面手性结构，因而能够支持左右旋偏振波之间的模式转换，即能够将入射的右旋偏振光的一部分能量转化为透射后的左旋偏振光，或者将入射的左旋偏振光的一部分能量转化为出射的右旋偏振光。因而透射率可以分为右旋入射-右旋出射、右旋入射-左旋出射、左旋入射-右旋出射、左旋入射-左旋出射，前两者相加为右旋入射时总的透过率，后两者相加为左旋入射时总的透射率。在1460纳米至1600纳米的工作波长范围内，该圆偏振器对右旋入射到左旋透射的为高透过率，对另外三种类型的透射系数则很低。因而，该圆偏振器的工作方式，是将入射的右旋偏振光，高效的转化为出射的左旋偏振光。而对入射的左旋偏振光，则几乎没有透射。如果一束非偏振光(可以分解为右旋偏振光和左旋偏振光)垂直入射到该圆偏振器，那么透射光基本上接近为纯的左旋偏振光，其中左旋偏振光与右旋光的比超过了100:1。
图4展示了近红外波段光波正入射该圆偏振器时右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的反射谱(图4a)和偏振转换反射谱(图4b)；从图上可以看出，在1460纳米至1600纳米的波长范围内，该圆偏振器对左旋偏振光入射时的反射率大于0.9,反射光几乎为纯的左旋偏振光。对于右旋偏振光入射，反射率小于0.1，最小的反射率小于0.001。因此，除了用于透射式的圆偏振器，本发明也可以用做反射式的圆偏振器。本发明中，圆偏振器在左旋偏振光入射时，反射光依然是左旋偏振光，而在右旋光入射后透射光转化为左旋光，这种独特圆偏振波模式转换特性，是得以利用单层平面手性金属结构实现圆偏振器的基础。类似的，也可以通过改变本发明中圆偏振器的纳米金属粒子结构和排列，使得右旋偏振光入射时，有高的反射率，反射后的光为右旋偏振光；而左旋偏振光入射时，有高的透射率，透射后的光转化为右旋偏振光。
本发明的圆偏振器可以通过聚焦离子束刻蚀进行加工，也可以利用电子束光刻、紫外光刻、纳米压印等方式进行大面积、低成本的加工。本实施例中的近红外波段的圆偏振器为利用聚焦离子束刻蚀工艺制造：首先，利用磁控溅射的方法，在抛光的石英玻璃基底上镀了5纳米厚的铬和360纳米后的金膜，然后利用聚焦离子束刻蚀工艺进一步加工出所设计的结构。图5所示为该圆偏振器在电子显微镜下的倾斜52度和0度时的照片。
在本发明的以上实施例中，采用了L型金属粒子的结构设计。根据本发明所述的圆偏振器的工作原理，本发明也完全可以采用其它具有平面手性的结构设计。图6所示为四种典型的平面手性结构的示意图，它们均可以用于构造本发明所述的圆偏振器。
虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。

Claims (7)

1.一种单层平面手性金属结构圆偏振器，由基板(1)和位于基板(1)上的亚波长金属粒子阵列(2)组成，所述基板(1)为对工作电磁波透明的介质，其特征在于：所述金属粒子阵列(2)为单层平面手性结构，组成所述金属粒子阵列(2)的金属粒子之间填充有对工作电磁波透明的介质，金属粒子阵列(2)均匀排列，金属粒子阵列(2)的周期通过金属粒子之间沿x坐标方向的排列间隔Px和沿y坐标方向的排列间隔Py进行确定，Px和Py均小于工作电磁波的波长，金属粒子的厚度t大于λ/(5n)，其中λ为工作电磁波的波长，n为金属粒子之间的填充材料对工作电磁波的折射率。
2.一种如权利要求1所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：组成所述金属粒子阵列(2)的金属粒子的材料为金、铂、银、铝、铜、钛、铝合金或者不锈钢。
3.一种如权利要求1所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：组成所述金属粒子阵列(2)的金属粒子为两臂不对称的L型。
4.一种如权利要求1所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：通过按照一定比例均匀的缩小金属粒子的尺寸，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。
5.一种如权利要求1所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：通过按照一定比例均匀的放大金属粒子的尺寸，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。
6.一种如权利要求1所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：通过改变组成所述金属粒子阵列(2)的金属粒子间隙间的填充材料，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。
7.一种如权利要求1至6任意一条权利要求所述单层平面手性金属结构圆偏振器，其特征在于：所述金属粒子阵列(2)由对工作波段电磁波透明的材料覆盖。
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