CN104914495B

CN104914495B - 一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列

Info

Publication number: CN104914495B
Application number: CN201510252045.2A
Authority: CN
Inventors: 康明
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: CN104914495A

Abstract

本发明公开了一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列设计，其特征是：包括两层亚波长金属微结构阵列和中间衬底层，亚波长金属微结构阵列位于衬底层的两面，上层亚波长金属微结构阵列的单元由Z字形金属线构成，而下垂亚波长金属微结构阵列的单元由连续金属线构成。中间层的衬底材料为玻璃，金属层的材料为金。本发明的优点是：该亚波长金属微结构阵列可以作为工作于两个频段的单向圆偏振片；该亚波长金属微结构阵列结构简单、制备容易且制备材料获取方便，适用范围非常广泛，利用这种器件，在一定的波长范围内，实现不同电磁应用要求，包括显示成像、光通讯、光学计算等。

Description

一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列

本发明得到国家自然基金11304226的资助。

技术领域

本发明涉及实现双频段单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列设计，特别是一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列。

背景技术

实现对光偏振的有效调控具有重要的意义，不仅能加深对光与物质相互作用机制的理解，而且在其它许多方面也有重要的应用前景。比如说，最简单的光偏振操控器件就是偏振片。偏振片可以定义为一个偏振过滤器件，允许特定的偏振的光通过，而使得不需要的偏振的光不通过。常用的偏振片有线偏振片和圆偏振片。比如圆偏振片，该偏振片可以让左（右）旋圆偏振光通过，而禁止右（左）旋圆偏振光通过。偏振片在光通信、全光网络、光计算和显示成像中都有重要的应用，比如利用偏振片对偏振选择的特性实现三维显示，还有偏振片也广泛的应用于液晶显示器件中。作为一个有着实际应用的器件，有各种各样的方法和材料来实现偏振片，如利用光学材料吸收特性的吸收型偏振片，还有利用光学晶体各向异性所实现的偏振片，如沃拉斯顿棱镜。本专利所实现的是圆偏振片。圆偏振片是目前用来实现显示成像技术中非常关键的器件，特别是三维显示技术。目前也有一些方法来实现圆偏振片，比如利用四分之一波片和线偏振片组合可以实现圆偏振片的功能。

亚波长金属微结构材料是由亚波长金属微结构单元构成的，能够实现特定光学特性的结构性材料。该材料所体现的光学性能主要依赖于所构成单元结构的金属材料和金属的几何结构，因此改变单元中含有的金属微结构的几何结构可以显著地改变该材料的光学响应，可以实现较为丰富的光学响应，如各向异性、旋光活性和磁电耦合。利用微结构材料可以很好的操控光的偏振特性，可以实现与偏振密切相关的一些非常有实际应用的现象，为在金属微结构材料中实现偏振片提供可能。如2007年，英国南安普敦大学光电研究中心的Zheludev小组，发现可以在单层的亚波长金属微结构材料中可以实现对圆偏振光的非对称传输，而该单层亚波长金属微结构材料非常薄，仅仅为几十分之一个波长，随后又发现许多与偏振相关的非对称传输现象，包括线偏振和圆偏振光。除了和偏振有关的光学现象之外，利用金属微结构材料实现偏振的操控也有大量的研究。主要的研究内容放在实现深亚波长厚度偏振的旋转和圆偏振片的实现上。如2009年，德国的Wegener小组在Science上报道了利用亚波长金属微结构材料实现圆偏振片的实验。

综上所述，利用亚波长金属微结构材料实现圆偏振片有如下一些优点：1，随着现在微纳加工技术的发展，亚波长金属微结构材料结构简单易于加工；2，该结构型材料厚度非常薄，处于亚波长区间，便于实现光学器件的集成；3，结构主要决定光学特性，因此在设计器件时非常灵活方便，使得工作波长可以灵活调节，不完全受限于材料的光学性质。可见，利用亚波长金属微结构材料实现偏振操控器件有着非常重要的现实需求。但是现有的利用亚波长金属微结构材料实现圆偏振片的设计和技术中，实现多个工作频段的圆偏振片仍然面临着诸多技术上的困难，需要集成多个谐振结构来实现，结构复杂难于加工，因此寻求金属微结构材料单元结构简单易于加工的圆偏振片具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提出一种结构简单、加工容易、适用面广的能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：

一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列，其特征是：包括两层亚波长金属微结构阵列和中间衬底层，亚波长金属微结构阵列位于衬底层的两面，上层亚波长金属微结构阵列的单元由Z字形金属线构成，而下层亚波长金属微结构阵列的单元由连续金属线构成，中间层的衬底材料为玻璃，金属层的材料为金。

其中所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，正方形单元尺寸为250 nm×250nm；上层Z字形金属结构采用金，其长度为 180 nm、Z字形的臂长为150 nm、宽度为50 nm、厚度为 30 nm；中间衬底层为玻璃，厚度为30 nm；下层金属结构为连续的金属线，材料为金，长度为250 nm，宽度为120 nm，厚度为 100 nm。

所述的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列工作频段的中心频率分别位于168.4 THz 和 363.6 THz；在第一工作频率位置处，168.4 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.42，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.01，几乎为0，可以达到左旋圆偏振光输出，而右旋圆偏振光不输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率168.4 THz的对比度为0.95，对比度达到0.5的带宽为34 THz；而在第二工作频率位置处，363.6 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.04，几乎为0，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.646，可以达到左旋圆偏振光不输出，而右旋圆偏振光输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率363.6 THz的对比度为0.88，对比度达到0.5的带宽为72.4 THz，在第一和第二工作频率处，该结构体现的圆偏振光输出特性是不同的，但都可以实现圆偏振片的功能。如果变换入射光的方向，若光从底层金属结构垂直入射，该结构所能实现的偏振片的功能就会消失，无论入射的左旋还是右旋圆偏振光，在两个工作频率，都输出同样的光强，不可以区分左右旋圆偏振，不可以作为圆偏振片在该入射方向。

本发明进一步公开了能实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列在用于显示成像、光通讯、光学计算不同电磁方面的应用。特别是在提高红外成像设备的集成度方面的应用。结果显示：

（1）圆偏振片第一工作频段中心频率为168.4 THz，厚度仅为0.09个波长，输出光强对比度为0.95.

(2) 圆偏振片第二工作频段中心频率为363.6 THz，厚度仅为0.194个波长，输出光强对比度为0.88.

(3)光从上层金属结构入射时，金属微结构阵列体现圆偏振片的偏振选择特性，如果反向入射，即从下层金属结构入射时，金属微结构阵列不体现圆偏振片的偏振选择特性。

本发明更加详细的描述如下：

所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，正方形单元尺寸为250 nm×250 nm；该有效结构含有三层材料，为金属-玻璃-金属构型；上层单元结构为Z字形金属结构，采用金，其长度为 180 nm、Z字形的臂长为150 nm、宽度为50 nm、厚度为 30 nm；中间衬底层为玻璃，厚度为30 nm；下层金属单元结构为连续的金属线，材料为金，长度为250 nm，宽度为120nm，厚度为 100 nm。所以该结构型材料在光传播向的总厚度为160 nm。

（1）对于能够实现圆偏振片功能的第一工作频段的中心频率位于168.4 THz，所对应的的波长为1781.5 nm，因而该结构型材料的厚度仅为0.09个波长，非常薄。工作时，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出总光强为0.42，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强仅为0.01，几乎为0，可以达到左旋圆偏振光输出，而右旋圆偏振光不输出的特性，从而实现圆偏振片的功能。对比度为1为完美的偏振片，在中心频率168.4 THz的对比度为0.95，对比度达到0.5的带宽为34 THz。

（2）能够实现圆偏振片功能的第二工作频段的中心频率位于363.6 THz，所对应的的波长约为825.1nm，因而该结构型材料的厚度约为0.194个波长，也非常薄。工作时，光同样从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.04，几乎为0，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.646，可以达到左旋圆偏振光不输出，而右旋圆偏振光输出的特性，从而实现圆偏振片的功能。对比度为1为完美的偏振片，在中心频率363.6 THz的对比度为0.88，对比度达到0.5的带宽为72.4 THz。

可见，在第一工作频段和第二工作频段，该结构型材料实现对不同圆偏振光的选择性通过，但总的说来仍然可以作为圆偏振片使用。

（3）如果改变工作时入射光的方向，即光从底层金属结构垂直入射到该金属微结构材料，该结构所能实现的圆偏振片的功能就会消失。对于第一工作频段和第二工作频段，无论入射的左旋还是右旋圆偏振光，只要光从底层金属结构垂直入射到金属微结构材料，都输出同样的光强，约为0.25，因而从输出光强的差异不可以区分光的圆偏振特性，因而不可以作为圆偏振片在该入射方向，所以本专利所设计的结构为单向圆偏振片。

所述能实现工作于两个频段的单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列，其特征是：双频段单向圆偏振片，第一工作频段的中心频率为168.4THz，位于中红外区间，第二工作频段的中心频率为363.6 THz，位于近红外区间；中间衬底层为玻璃，折射率为1.47.

本发明的工作原理：

该结构的圆偏振选择特性依赖于在经典光学范畴内的金属微结构单元的局域共振机制，层与层之间的近场耦合效应，以及单元结构的对称性。对于入射到金属微结构材料的入射光，存在着由两层金属结构共同导致的局域共振机制，所对应的透射谱就会出现谷，而由入射偏振转换到其垂直偏振的光会出现峰值。对于本专利所提出的结构，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为y方向线偏振光的话，由于后层金属结构禁止该偏振光透射，所以出射的y方向线偏振光的强度为0，而转化为x方向的电场分量可以透过该结构；而对于x方向线偏振光入射的话，可以输出一定的光强，但是由于后层金属结构的存在，x分量转换为y分量的电场也被禁止出射。由于这些耦合的共振机制，使得出射的电场分量满足一定的关系，从而使得能够实现满足圆偏振片的要求，实现圆偏振的选择性通过。考虑到金属氧化的特性，可选用金。

本发明公开的实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列与现有技术相比所及有的积极效果在于：

该亚波长金属微结构阵列可以实现工作于两个频段的圆偏振选择特性，从而实现双频段圆偏振片的功能。利用本专利所提出的这种结构，在不同的频段内，可以实现圆偏振光的选择性通过，实现三维显示技术当中的关键器件，也可以广泛用于光通讯和光计算中；该亚波长金属微结构所实现的圆偏振选择特性对光的入射方向很敏感，是非常特殊的单向圆偏振片，可以用于光计算中；此外本专利所提出的结构简单、容易制备，适用范围会非常广泛。

附图说明

图1 基于亚波长金属微结构阵列实现圆偏振片的单元结构示意图；

其中：图1中给出了上层金属结构、中间层衬底以及下层金属结构的示意图；其中参数a为上层Z字形金属结构的长度，b为臂长，为宽度；为下层金属线的宽度。

具体实施方式

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合较佳实施例，对本发明做进一步的描述，特别加以说明的是本发明所用各种原料均有市售。

实施例1：

红外区间的双频段单向圆偏振片设计（一）

能够实现红外区间的双频段单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列，本实施例中，结构阵列的单元为正方形单元，尺寸为250 nm×250 nm；该有效结构含有三层材料，为金属-玻璃-金属构型；上层单元结构为Z字形金属结构，采用金，其长度为 180 nm、Z字形的臂长为150 nm、宽度为50 nm、厚度为 30 nm；中间衬底层为玻璃，折射率为1.47，厚度为30nm；下层金属单元结构为连续的金属线，材料为金，长度为250 nm，宽度为120 nm，厚度为100 nm。因此该结构型材料在光传播向的总厚度为160 nm。能够实现圆偏振片功能的第一工作频段的中心频率位于168.4 THz，所对应的的波长为1781.5 nm，因而该结构型材料的厚度约为0.09个波长，非常薄。工作时，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.42，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.01，几乎为0，可以达到左旋圆偏振光输出，而右旋圆偏振光不输出的特性，从而实现圆偏振片的功能。对比度为1为完美的偏振片，在中心频率168.4 THz的对比度为0.95，对比度达到0.5的带宽为34 THz。能够实现圆偏振片功能的第二工作频段的中心频率位于363.6 THz，所对应的的波长约为825.1 nm，因而该结构型材料的厚度约为0.194个波长，也非常薄。工作时，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强几乎为0，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.646，可以达到左旋圆偏振光几乎不输出，为0.04，而右旋圆偏振光输出的特性，从而实现圆偏振片的功能。对比度为1为完美的偏振片，在中心频率363.6 THz的对比度为0.88，对比度达到0.5的带宽为72.4 THz。可见，在第一工作频段和第二工作频段，该结构型材料实现对不同圆偏振的选择过滤特性，但总的说来仍然可以作为圆偏振片使用。

如果改变工作时入射光的方向，即光从底层金属结构垂直入射到该金属微结构材料，该结构所能实现的圆偏振片的功能就会消失。对于第一工作频段和第二工作频段，无论入射的左旋还是右旋圆偏振光，只要光从底层金属结构垂直入射到金属微结构材料，都输出同样的光强，约为0.25，因而从输出光强的差异不可以区分光的圆偏振特性，因而不可以作为圆偏振片在该入射方向，所以本专利所设计的结构为单向圆偏振片。

实施例2

红外区间的双频段单向圆偏振片设计（二）

能够实现红外区间的双频段单向圆偏振片的亚波长金属微结构阵列。本实施例工作频段相对于实施例一有一定的移动。本实施例中，结构阵列的单元为正方形单元，尺寸为200 nm×200 nm；该有效结构含有三层材料，为金属-玻璃-金属构型；上层单元结构为Z字形金属结构，采用金，其长度为 180 nm、Z字形的臂长为125 nm、宽度为50 nm、厚度为 30nm；中间衬底层为玻璃，折射率为1.47，厚度为30 nm；下层金属单元结构为连续的金属线，材料为金，长度为200 nm，宽度为120 nm，厚度为 100 nm。因此该结构型材料在光传播向的总厚度为160 nm。能够实现圆偏振片功能的第一工作频段的中心频率位于159.5 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.56，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.003，几乎为0，可以达到左旋圆偏振光输出，而右旋圆偏振光不输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率159.5 THz的对比度为0.99，对比度达到0.5的带宽为35 THz；而在第二工作频率位置处，365 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.03，几乎为0，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.33，可以达到左旋圆偏振光不输出，而右旋圆偏振光输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率365 THz的对比度为0.83，对比度达到0.5的带宽为59.0 THz，在第一和第二工作频率处，该结构体现的圆偏振光输出特性是不同的，但都可以实现圆偏振片的功能。

如果改变工作时入射光的方向，即光从底层金属结构垂直入射到该金属微结构材料，该结构所能实现的圆偏振片的功能就会消失。对于第一工作频段和第二工作频段，无论入射的左旋还是右旋圆偏振光，只要光从底层金属结构垂直入射到金属微结构材料，都输出同样的光强，因而从输出光强的差异不可以区分光的圆偏振特性，因而不可以作为圆偏振片在该入射方向，所以本专利所设计的结构为单向圆偏振片。

应用实例：

红外偏振镜：为了消除有害的反射光，提高红外图像的成像质量和人造目标的可识别率，红外偏振镜的出色功用就是有选择地让某个振动方向的光通过，也就是偏振片，在成像中常用来消除或减弱强反光，从而消除或减轻光斑，提高图像的清晰度和表现力。偏振镜根据过滤偏振光的机理不同又区分为圆偏光镜和线偏光镜。其中，圆偏光镜价格普遍要比线偏光镜高。圆偏光镜主要由由两个线偏振片中间胶合一个四分之一波片构成，从而达到对单个波长圆偏振光选择性通过的要求。由于四分之一波片的引入不但增加了偏光镜主体的厚度，而且引入的色散使得偏光镜较好的特性只能局限于一个频段。目前，常见的红外偏光镜的厚度约为几十毫米量级。而本专利所述的结构可以替代当前的红外偏振镜主体，作为红外偏振镜的主体部分使用，其厚度仅仅为0.09（0.25）个波长量级，即使集成多组也仅仅为um量级。而且一个结构可以作为两个工作频段的圆偏振片使用。如此会大大的减少红外偏振镜的厚度，减轻成像设备重量，缩小其在成像器件中所占的体积，提高红外成像设备的集成度。

Claims

1.一种能实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列，其特征是：包括两层亚波长金属微结构阵列和中间衬底层，亚波长金属微结构阵列位于衬底层的两面，上层亚波长金属微结构阵列的单元由Z字形金属线构成，而下层亚波长金属微结构阵列的单元由连续金属线构成，中间层的衬底材料为玻璃，金属层的材料为金；所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，正方形单元尺寸为200 nm×200 nm；上层Z字形金属结构采用金，其长度为 180 nm、Z字形的臂长为125 nm、宽度为50 nm、厚度为 30 nm；中间衬底层为玻璃，厚度为30 nm；下层金属结构为连续的金属线，材料为金，长度为200 nm，宽度为120nm，厚度为 100 nm。

2.根据权利要求1所述能实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列，其特征是：所述的亚波长金属微结构阵列工作频段的中心频率分别位于159.5 THz和 365 THz；在第一工作频率位置处，159.5 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.56，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.003，几乎为0，可以达到左旋圆偏振光输出，而右旋圆偏振光不输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率159.5 THz 的对比度为0.99，对比度达到0.5的带宽为35 THz；而在第二工作频率位置处，365 THz，光从上层金属结构垂直入射，对于入射为左旋圆偏振光的话，该结构输出光强为0.03，几乎为0，而对于右旋圆偏振光入射的话，输出光强为0.33，可以达到左旋圆偏振光不输出，而右旋圆偏振光输出的特性，从而实现圆偏振片的功能；对比度1为完美的偏振片，在中心频率365 THz的对比度为0.83，对比度达到0.5的带宽为59.0 THz，在第一和第二工作频率处，该结构体现的圆偏振光输出特性是不同的，但都可以实现圆偏振片的功能。

3.根据权利要求1所述能实现工作于两个频段的单向圆偏振片功能的亚波长金属微结构阵列，其特征是：如果变换入射光的方向，若光从底层金属结构垂直入射，该结构所能实现的偏振片的功能就会消失，无论入射的左旋还是右旋圆偏振光，在两个工作频率，都输出同样的光强，不可以区分左右旋圆偏振，不可以在入射方向作为圆偏振片。