CN105137520B - 渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器 - Google Patents

渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，本发明的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，包括衬底和均匀沉积在衬底上的渐变螺旋金属线阵列；螺旋线阵列由周期性排布的螺旋金属线单元构成；每个螺旋线单元由旋向相同的上下两部分螺旋线相连而成，上层部分螺旋线半径自上而下依次变大，下半部分螺旋线等径。相较于等径螺旋圆偏振器，渐变螺旋圆偏振器可以有效耦合入射光，减少非匹配极化方向的圆偏振光的透过率，而对于与螺旋旋向匹配的极化方向圆偏振光的共振更强，因而具有更高的消光比(高达105)。相比于传统圆偏振器，该结构具有高消光比，且体积小、波段宽，可实现微型圆偏振阵列制备，适合于偏振成像探测、显示和激光等领域。

Description

渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器
技术领域
本发明涉及一种圆偏振器，具体涉及一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器。
背景技术
圆偏振器是偏振光学领域的一种重要的光学元器件，在偏振分光、偏振成像、彩色显示和激光技术等领域有着重要的应用。目前，利用线偏振器与四分之一波片是最常见的实现和调控圆偏振光方法。但这样的器件在使用时必须对经过线偏振器的输入输出光进行汇聚和准直，同时要保证线偏振器和四分之一波片相互连接时的精确对准；系统是由分立器件组成，不仅使整个系统损耗大大增加，而且系统的不稳定性也大大增加，体积大，集成困难；四分之一波片工作波长范围较窄，无法获得宽波长范围的圆偏振光。
利用胆甾液晶的电控双折射特性以及螺旋状光纤的手性结构也可以获得及调控圆偏振光，但受胆甾液晶材料和螺旋状光纤自身性能的限制，这两种圆偏振器的工作范围也都较窄，而且要想获得较高消光比需要增多螺旋周期数，导致器件体积较大，难以集成，极大地限制了其应用。
2009年9月，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首先提出采用金螺旋手性超材料获得宽波段的圆偏振光，工作范围在3.5μm-6.5μm，消光比大约为10，见Justyna K.Ganselet.al.Circle Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,Science325,1513(2009)。他们制备的方法是首先采用激光束直写技术对光刻胶进行阳刻，随后通过电化学沉积的方法，把金均匀沉积在螺旋状空气隙内，随后完全移除光刻胶从而获得单螺旋状的金属线栅。与传统方法相比，采用这种螺旋结构工作波段宽，但消光比仍较低，难以用于实际应用。在此基础上，华中科技大学杨振宇等提出工作在可见-近红外波段的铝单螺旋圆偏振器以及多螺旋金属线栅圆偏振器(中国发明专利公开号：101782666A，102073088A，101852884A)，工作波长范围可以达到0.49-1.37μm，消光比可以达到270以上。但他们提出的结构消光比仍较低，而且多螺旋圆偏振器相较于单螺旋圆偏振器制备工艺上更加复杂，因此极大限制了它的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，解决传统圆偏振器工作波长范围窄，消光比低，难以集成的问题。
本发明的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，其结构为：在衬底1正面沉积有N个周期性排布的螺旋线阵列2，其特征在于：
所述的衬底1的材料为熔融石英玻璃或K9玻璃或ZK6玻璃或BAK玻璃或光学玻璃或宝石片或硅片或锗片或FR板或泡沫塑料；
所述的螺旋线阵列2中单个螺旋金属线由旋向相同的两部分螺旋线相连而成，分别为螺旋线半径自上而下依次变大的上层渐变半径部分21和下层螺旋线半径相同的下层等径部分22；螺旋线阵列2的单元尺寸为：螺旋线横向周期p＝n×(900～1000)nm，螺旋螺距SH＝n×922.5nm，螺旋周期数4≤NH≤10，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为NH/2，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝n×(90～100)nm，最大螺旋直径DHmax＝n×(720～800)nm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝n×720nm，螺旋线直径均为DW＝n×(67.5～75)nm，其中n不限于整数，取值范围为1≤n≤200000。所述的螺旋线材料为具有表面等离子体共振特性的Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr。
本发明的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器的基本原理是：对于螺旋结构，只有当入射电磁波的极化方向与螺旋的旋向匹配时(例如左旋圆偏振光与左旋螺旋)，才会在螺旋线上产生较强的感应电流，且电流以驻波的形式在螺旋线中传输，入射光被螺旋线“接收”而不能透过；反之，当极化方向不匹配的圆偏振光入射时，螺旋线上产生的电流则非常微弱，几乎可以忽略不计，大部分入射光都可以透过器件。这样通过调整螺旋结构的旋向，螺旋手性金属超材料圆偏振器就实现了对左右旋圆偏振光的选择性透过。采用渐变螺旋结构，相较于等径螺旋结构可以更有效耦合入射光，提高极化方向不匹配的入射光的透过率；而对于极化方向匹配的入射光，由于螺旋半径不同可以实现局域化共振从而有效提高对其透过的抑制效果。结构尺寸增大，则对应共振波长红移，工作波段也随之红移。螺旋纵向周期数增大，则对旋向匹配入射光的透过抑制作用越强，消光比越高。
本发明的优点是：
1、渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器相较于线偏振器与四分之一波片组成的分立圆偏振器件以及胆甾液晶的电控双折射特性或螺旋状光纤等手性结构，体积小，稳定性及可靠性高，且集成度高，可实现微型圆偏振阵列的制备。
2、相较于背景技术部分对比文件中的等径单螺旋结构和多螺旋圆偏振器，本发明提出的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，采用渐变螺旋结构可以更有效耦合入射光，提高非匹配圆极化光的透过率，而且对匹配圆极化光的局域化共振作用可以将消光比提升两个量级以上。并且可以通过对材料的适当选择获得工作在可见-近红外、中波红外、长波红外，甚至太赫兹和微波波段的高消光比圆偏振器件。
附图说明
图1(a)为渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的立体示意图；
图1(b)为渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的侧视图；
图1(c)为渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的俯视图；
图2为采用激光束直写工艺制备渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的工艺示意图(a)在衬底上镀导电层，涂覆光刻胶(b)激光束直写制备空气螺旋隙(c)电化学沉积金属(d)去除光刻胶；
图3为实施例1中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光透过率和消光比曲线；
图4为实施例2中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光透过率和消光比曲线；
图5为实施例3中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光透过率和消光比曲线；
图6为实施例4中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光透过率和消光比曲线。
图7为实施例5中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光透过率和消光比曲线。
具体实施方式
为了便于说明，下面将以工作在红外波段的渐变金螺旋手性金属超材料圆偏振器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
如图1所示，本发明所述的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器，在衬底1正面沉积有周期性排布的金螺旋线阵列2。螺旋线单元由旋向相同的两部分螺旋线相连而成，分别为螺旋线半径自上而下依次变大的上层渐变半径部分21和螺旋线半径相同的下层等径部分22。
螺旋线阵列2的单元尺寸为：螺旋线横向周期p＝n×(900～1000)nm，螺旋螺距SH＝n×922.5nm，螺旋周期数4≤NH≤10，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为NH/2，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝n×(90～100)nm，最大螺旋直径DHmax＝n×(720～800)nm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝n×720nm，螺旋线直径均为DW＝n×(67.5～75)nm，其中n不限于整数，取值范围为1≤n≤200000。
本发明所述的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的制备方法包括激光束直写工艺和机械加工工艺两种，当1≤n≤20时，制备方法采用激光束直写工艺；当20＜n≤200000时，制备方法采用机械加工工艺。如图2所示，本发明所述的激光束直写工艺制备渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的具体制备步骤如下(参见Justyna K.Gansel et.al.CirclePolarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,Science 325,1513(2009))：
1如图2(a)所示，首先在基板表面沉积一层ITO导电层薄膜，在导电层上均匀旋涂光刻胶。
2如图2(b)所示，通过激光束直写工艺，在光刻胶中光刻形成设计尺寸的均匀分布的渐变空气隙螺旋阵列。
3如图2(c)所示，通过电化学沉积方法，在PH＝8.5的条件下，采用亚硫酸盐基金电解液(其中Na3[Au(SO3)2]作为金源，Na2SO3和C2H4(NH2)2作为稳定剂，Na2EDTA(C10H16N2Na2O8×2H2O)作为络合剂)通过电化学法在在空气螺旋中沉积金属，形成嵌埋在光刻胶中的渐变金属螺旋阵列。
4如图2(d)所示，剥离去除金属螺旋阵列间的光刻胶，获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
本发明所述的采用机械加工工艺制备渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的具体制备步骤如下：
1采用模具加工出设计尺寸的渐变螺旋手性金属超材料单元。
2将所制备的渐变螺旋手性金属超材料单元按照设计周期排布在基底上获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
实施例一
本实施例的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器在石英玻璃衬底1正面沉积有周期性排布的铝螺旋线阵列2，螺旋线横向周期p＝900nm，螺旋螺距SH＝922.5nm，螺旋周期数NH＝6，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为3，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝90nm，最大螺旋直径DHmax＝720nm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝720nm，螺旋线直径均为DW＝67.5nm。
本实施例中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的制备方法如下：
1如图2(a)所示，首先在基板表面沉积一层ITO导电层薄膜，在导电层上均匀旋涂光刻胶。
2如图2(b)所示，通过激光束直写工艺，在光刻胶中光刻形成设计尺寸的均匀分布的渐变空气隙螺旋阵列。
3如图2(c)所示，通过电化学沉积方法，在PH＝8.5的条件下，采用亚硫酸盐基金电解液(其中Na3[Au(SO3)2]作为金源，Na2SO3和C2H4(NH2)2作为稳定剂，Na2EDTA(C10H16N2Na2O8×2H2O)作为络合剂)通过电化学法在在空气螺旋中沉积金属，形成嵌埋在光刻胶中的渐变金属螺旋阵列。
4如图2(d)所示，剥离去除金属螺旋阵列间的光刻胶，获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
图3是本实施例所述铝渐变螺旋手性超材料圆偏振器的透射谱，图中实心方形曲线代表左旋圆偏振光的透过率，空心圆形曲线代表右旋圆偏振光的透过率，本实施例的工作范围为：2.0μm-4.6μm，右旋圆偏振光最大透过率85.7％，最大消光比2.82×105:1，具有优异的圆偏振光选择性。
实施例二
本实施例的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器在石英玻璃衬底1正面沉积有周期性排布的金螺旋线阵列2，螺旋线横向周期p＝2μm，螺旋螺距SH＝1.845μm，螺旋周期数NH＝4，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为2，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝200nm，最大螺旋直径DHmax＝1.6μm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝1.6μm，螺旋线直径均为DW＝150nm。
本实施例中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的制备方法如下：
1如图2(a)所示，首先在基板表面沉积一层ITO导电层薄膜，在导电层上均匀旋涂光刻胶。
2如图2(b)所示，通过激光束直写工艺，在光刻胶中光刻形成设计尺寸的均匀分布的渐变空气隙螺旋阵列。
3如图2(c)所示，通过电化学沉积方法，在PH＝8.5的条件下，采用亚硫酸盐基金电解液(其中Na3[Au(SO3)2]作为金源，Na2SO3和C2H4(NH2)2作为稳定剂，Na2EDTA(C10H16N2Na2O8×2H2O)作为络合剂)通过电化学法在在空气螺旋中沉积金属，形成嵌埋在光刻胶中的渐变金属螺旋阵列。
4如图2(d)所示，剥离去除金属螺旋阵列间的光刻胶，获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
图4是本实施例所述金渐变螺旋手性超材料圆偏振器的透射谱，图中实心方形曲线代表左旋圆偏振光的透过率，空心圆形曲线代表右旋圆偏振光的透过率，本实施例的工作范围为：4.0μm-10.5μm，右旋圆偏振光最大透过率89.3％，最大消光比6859.2:1，具有优异的圆偏振光选择性。
实施例三
本实施例的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器在石英玻璃衬底1正面沉积有周期性排布的金螺旋线阵列2，螺旋线横向周期p＝1.8μm，螺旋螺距SH＝1.845μm，螺旋周期数NH＝20，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为10，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝180nm，最大螺旋直径DHmax＝1.44μm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝1.44μm，螺旋线直径均为DW＝135nm。
本实施例中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的制备方法如下：
1如图2(a)所示，首先在基板表面沉积一层ITO导电层薄膜，在导电层上均匀旋涂光刻胶。
2如图2(b)所示，通过激光束直写工艺，在光刻胶中光刻形成设计尺寸的均匀分布的渐变空气隙螺旋阵列。
3如图2(c)所示，通过电化学沉积方法，在PH＝8.5的条件下，采用亚硫酸盐基金电解液(其中Na3[Au(SO3)2]作为金源，Na2SO3和C2H4(NH2)2作为稳定剂，Na2EDTA(C10H16N2Na2O8×2H2O)作为络合剂)通过电化学法在在空气螺旋中沉积金属，形成嵌埋在光刻胶中的渐变金属螺旋阵列。
4如图2(d)所示，剥离去除金属螺旋阵列间的光刻胶，获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
图5是本实施例所述金渐变螺旋手性超材料圆偏振器的透射谱，图中实心方形曲线代表左旋圆偏振光的透过率，空心圆形曲线代表右旋圆偏振光的透过率，本实施例的工作范围为：3.7μm-9.6μm，右旋圆偏振光最大透过率82.2％，最大消光比2.54×105:1，具有优异的圆偏振光选择性。
实施例四
本实施例的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器在硅衬底1正面沉积有周期性排布的金螺旋线阵列2，螺旋线横向周期p＝18μm，螺旋螺距SH＝18.45μm，螺旋周期数NH＝6，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为3，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝1.8μm，最大螺旋直径DHmax＝14.4μm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝14.4μm，螺旋线直径均为DW＝1.35μm。
本实施例中金渐变螺旋手性超材料圆偏振器的制备方法如下：
1如图2(a)所示，首先在基板表面沉积一层ITO导电层薄膜，在导电层上均匀旋涂光刻胶。
2如图2(b)所示，通过激光束直写工艺，在光刻胶中光刻形成设计尺寸的均匀分布的渐变空气隙螺旋阵列。
3如图2(c)所示，通过电化学沉积方法，在PH＝8.5的条件下，采用亚硫酸盐基金电解液(其中Na3[Au(SO3)2]作为金源，Na2SO3和C2H4(NH2)2作为稳定剂，Na2EDTA(C10H16N2Na2O8×2H2O)作为络合剂)通过电化学法在在空气螺旋中沉积金属，形成嵌埋在光刻胶中的渐变金属螺旋阵列。
4如图2(d)所示，剥离去除金属螺旋阵列间的光刻胶，获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
图6是本实施例所述渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的透射谱，图中实心方形曲线代表左旋圆偏振光的透过率，空心圆形曲线代表右旋圆偏振光的透过率，本实施例的工作范围为：36.8μm-90.2μm，右旋圆偏振光最大透过率90.7％，最大消光比2.97×104:1，具有优异的圆偏振光选择性。
实施例五
本实施例的渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器在泡沫衬底1正面排布有周期性排布的金螺旋线阵列2，螺旋线横向周期p＝18mm，螺旋螺距SH＝18.45mm，螺旋周期数NH＝6，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为3，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝1.8mm，最大螺旋直径DHmax＝14.4mm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝14.4mm，螺旋线直径均为DW＝1.35mm。
本实施例中渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的制备方法如下：
1采用模具加工出设计尺寸的渐变螺旋手性金超材料单元。
2将所制备的渐变螺旋手性金属超材料单元按照设计周期排布在基底上获得渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器。
图7是本实施例所述渐变螺旋手性金属超材料圆偏振器的透射谱，图中实心方形曲线代表左旋圆偏振光的透过率，空心圆形曲线代表右旋圆偏振光的透过率，本实施例的工作范围为：36.5mm-94.1mm，右旋圆偏振光最大透过率93.4％，最大消光比2.97×104:1，具有优异的圆偏振光选择性。

Claims (1)

1.一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，其结构包括衬底(1)和均匀沉积在衬底上的渐变螺旋金属线阵列(2)，其特征在于：
所述的衬底(1)的材料为K9玻璃或ZK6玻璃或BAK玻璃或宝石片或硅片或锗片或FR板或泡沫塑料；
所述的渐变螺旋线阵列(2)由呈周期性排布的螺旋金属线单元构成；螺旋金属线单元由旋向相同的上下两部分螺旋线相连而成，上层部分螺旋线半径自上而下依次变大，下半部分螺旋线等径；螺旋线的材料为具有表面等离子体共振特性的Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr；
所述的渐变螺旋线阵列(2)的金属线单元尺寸为：螺旋线横向周期p＝n×(900～1000)nm，螺旋螺距SH＝n×922.5nm，螺旋周期数4≤NH≤10，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为NH/2，上层部分螺旋线最小螺旋直径DHmin＝n×(90～100)nm，最大螺旋直径DHmax＝n×(720～800)nm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝n×(720～800)nm，螺旋线直径均为DW＝n×(67.5～75)nm，其中n不限于整数，取值范围为1≤n≤200000。
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Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer;Justyna K. Gansel，Michael Thiel等;《Science》;20090918;第325卷(第5947期);正文第1514页，图2-3 *
Tapered Gold Helices as High-Extinction-Ratio, Broadband Circular Polarizer;Justyna K. Gansel, Michael Latzel等;《Lasers and Electro-Optics》;20121231;正文第1页最后一段，图1 *
Tapered N-helical metamaterials with three-fold rotational symmetry as improved circular polarizers;Johannes Kaschke，Mark Blome等;《Optics Express》;20141231;第22卷(第17期);全文 *

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