CN105511117B - 一种超表面偏振调控器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超表面偏振调控器件。该器件由五层结构组成，顶层和底层为周期金属微结构层，中间层为金属薄膜层，顶层、底层与中间金属层由绝缘介质层隔开。器件工作在近红外波段，体系的整体厚度远小于工作波长；对于正入射的电磁波，透射率超过80％；通过调节结构的几何参数和相关材料的物理性质，两个不同分量(x分量和y分量)透射波之间的相位差可覆盖0度到360度整个相位区间，从而可实现对电磁波偏振态的自由调控，如线偏振入射的电磁波其透射偏振态可转化为圆偏振，椭圆偏振，或线偏振，甚至完全偏振反转。

Description

一种超表面偏振调控器
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种超表面偏振调控器件。
背景技术
横波性(偏振性)作为光的基本特征之一，在极大的程度上影响和决定了光的性质及其在各方面的应用。为了探测光波的偏振态，我们常常需要借助于“光偏振器件”来判定它们的偏振类别。在各种光学仪器中，为了获得所需的偏振态，我们还经常需要实现不同偏振状态之间的转化。用来检测、选择或转化光波/电磁波偏振态的偏振器件应用需求越来越广，对器件性能的要求也越来越高，不但要求器件具有很高的效率，而且期许其向小型、微型化发展，以便于集成于现代各种复杂的光电子设备中。传统的调控光波偏振状态的方法包括利用光栅、双色材料，或是利用布鲁斯特现象、双折射现象等。这些方法各有特点，但一个共同的缺点是这些体系都不是全反射(或全透射)的，因而在应用的过程中总有一定信号损失的问题。而且传统方法由于受到常规自然材料本身物理性质的限制，通常只能工作在一定的较窄的波段范围，工作波长发生了变化，就得寻找新的材料，乃至调控方法也要发生改变。
随着超材料(Metamaterial)，尤其是超表面(Metasurface)的出现，人们操控电磁波/光波行为的方法进一步多样化。超材料是指一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其特性主要取决于其构成的亚波长人工结构子单元。通过调节子单元结构的几何尺寸和排列的周期序，人们可以设计和调控超材料的等效介电常数和等效磁导率。而超表面则是指一种准二维平面化的超材料结构，通过对微结构的设计，它一般不但具有三维体超材料所具有的超强电磁波调控能力，与其相比，它还具有体积小、损耗低、易于片上集成等诸多优点，近来已引起了人们的广泛关注。本发明正是一种基于超表面的偏振调控器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供了一种可以实现对光波偏振态自由调控的超表面偏振调控器。
本发明旨在利用超表面的理念设计制作一种超薄光波偏振调控器。在近红外波段(0.8μm～2.5μm)，其透射率可高达80％以上，且透射波的偏振模式可以根据需求任意调控。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
所述的超表面偏振调控器件由五层结构组成，器件的顶层和底层为金属微结构层3，中间层为金属薄膜层1，顶层、底层与中间层之间由绝缘介质层2隔开；顶层和底层的金属微结构层3对于x轴和y轴具有周期性，对于x轴、y轴和z轴具有轴对称性，顶层和底层的金属微结构层3在x方向和y方向几何尺度不同，整体呈现各向异性；对于x和y偏振入射电磁波，其在这两个方向的透射波会有相位差；通过调节金属微结构层3的几何参数，其x和y偏振的透射波的相位差可覆盖0度到360度整个相位区间；对于线偏振态的入射波，其透射波偏振态可被转化为圆偏振，椭圆偏振，或线偏振，乃至完全偏振反转；对于圆偏振态的入射波，其透射波偏振态可被转化为线偏振，椭圆偏振，或左旋与右旋圆偏振之间的相互转化；
所述的金属微结构层3的厚度为40-65nm，材料为金、银或铝；
所述的金属薄膜层1的厚度为15-25nm，材料为金、银或铝；
所述的绝缘介质层2的材料为氟化镁，二氧化硅，氧化铝或硫化锌，材料为氧化铝时的厚度为10-35nm。
在所述的超表面偏振调控器件结构表面加盖一层防止表面金属微结构氧化的超薄介质层，超薄介质层的材料为氟化镁，二氧化硅，氧化铝或硫化锌。
当电磁波正入射到该结构表面时，首先将被顶层的金属微结构与中间层金属薄膜所构建的微腔所束缚，由于中间层金属厚度很薄，因此电磁波又会被耦合到底层金属微结构与中间层所构建的微腔再从底层发射出去，从而保证体系具有很高的透射率。
假设偏振调控器放置在xy平面内，其中金属微结构长边平行于x轴，短边平行于y轴，电磁波从z方向入射，偏振方向与x轴呈45度夹角。由电磁场理论可知，电磁场可沿x轴和y轴分解为两个不同偏振的分量。对于这两个不同偏振的分量，因上一步所阐述的机理，都可以实现高透射，但由于两方向结构体系有所不同(主要是几何尺度不同)，因此在具体工作模式上会有差别，一个是对称共振模式起主导作用，另一个是反对称共振模式起主导作用。这个差别将导致两个不同方向透射分量具有不同的透射相位，即两个方向上透射分量具有相位差。
如果相位差则可实现偏振的完全反转。假设入射波为s偏振，则透射波为p偏振；入射光为左旋圆偏振，则透射光为右旋圆偏振。
如果相位差则可实现线偏振与圆偏振态之间的相互转化。
本发明的优点在于：器件工作在近红外波段，体系的整体厚度远小于工作波长；对于正入射的电磁波，透射率超过80％；通过调节结构的几何参数和相关材料的物理性质，两个不同分量透射波之间的相位差可覆盖整个0到360度相位区间，从而可实现对电磁波偏振态的自由调控，如线偏振入射的电磁波其透射偏振态可转化为圆偏振，椭圆偏振，或线偏振，甚至完全偏振反转。
附图说明
图1为本发明超表面偏振调控器示例三维结构示意图；
图2为本发明超表面偏振调控器沿电磁波传播方向的截面示意图；
图3为本发明超表面偏振调控四分之一波片示例波长与相位差和偏振转化率关系图；
图4为本发明超表面偏振调控半波片示例波长与相位差和偏振转化率关系图。
附图标记说明：1：金属薄膜层、2：绝缘介质层、3：金属微结构层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但不限定本发明。
实施例1.超表面偏振调控四分之一波片
如图1和图2所示的超表面偏振调控器，中间金属层1材料为银(Ag)，其厚度为h＝20nm。上下绝缘介质层2材料相同，为氧化铝(Al2O3)，其厚度均为d＝25nm。顶层和底层金属微结构层3材料与中间金属薄膜层1相同，为金属银(Ag)颗粒，该颗粒周期性的附着在绝缘介质层2上，其厚度为t＝60nm，微结构单元周期为370nm。波片是由若干单元周期结构阵列组成，例如图1所示，6×6单元结构的阵列。通过调节顶层和底层金属微结构层3金属微结构的长度和宽度可得到所需的相位差这里我们设计超表面偏振调控器具有四分之一波片的功能，即要求x方向和y方向透射分量相位差通过全波数值模拟的方法优化可得，金属微结构的长和宽分别为180nm和140nm时，可以实现工作波长为1.35μm附近的四分之一波片功能。整个偏振调控器的厚度只有190nm，远小于工作波长(1.35μm)，因此器件可视作准二维平面结构。假设一束s偏振(偏振方向与x轴呈45度夹角)电磁波垂直入射到器件上，通过理论分析结合数值模拟计算，可得该器件的偏振转化率PCRqwp＝|ts-lcp|2/(|ts-lcp|2+|ts-rcp|2)，其中ts-lcp、ts-rcp为透射系数，分别表征s偏振入射波转化为左旋圆偏振透射波和右旋圆偏振透射波的能力。图3分别给出了x和y偏振透射分量相位差及偏振转化率PCRqwp与波长之间的关系。从图中可以看出在波长1.35μm附近x方向和y方向透射波相位差而偏振转化率PCRqwp接近为1，这说明我们可以在1.35μm附近实现完美的四分之一波片功能。
实施例2.超表面偏振调控半波片
超表面偏振调控器实现半波片的功能即要求在某波段或频点实现x方向和y方向透射分量的相位差且有较高的偏振转化率PCRhwp，这里偏振转化率定义为PCRhwp＝|ts-p|2/(|ts-p|2+|ts-s|2)，其中ts-s、ts-p为透射系数，分别表征s偏振入射波经过波片后偏振态保持不变和转化p偏振透射波的能力。除顶层和底层金属微结构的长和宽分别为190nm、130nm外，其它结构参数与实施例1中完全相同。图4给出了x和y偏振透射分量相位差及偏振转化率PCRhwp与波长之间的关系。由图可知，波长为1.36μm附近x方向和y方向透射波相位差而偏振转化率PCRhwp接近为1，即满足半波片功能条件。
这里需要说明的是：第一，上述实施例中虽只阐述通过优化金属微结构的长宽实现透射波偏振态的调控，但也可以通过调节金属微结构层3，中间金属薄膜层1和绝缘介质层2的厚度，以及介质层的物理性质来调控透射波的偏振态。且不仅可以实现线偏振光转化为圆偏振光(四分之一波片)，线偏振光转化为与之相互正交线偏振光(半波片)，而且可以实现椭圆偏振光与线偏振光之间的相互转化，以及左旋圆偏振光与右旋圆偏振光之间的相互转化。
第二，在实际结构中，上述基于超表面的偏振调控器是设计在玻璃(SiO2)基底上的,但可以根据不同的需要选择不同的基底。对于采用银，铝等易于氧化的材料结构体系，在结构制作完成后，可在表面生长抗氧化薄层，理论和模拟计算表明，该抗氧化膜层对整体性能影响不大。
以上用具体实例对本发明的原理和实施方式进行阐述，只是为了帮助理解本发明，不应对本发明的权利要求所保护的范围有所限制。

Claims (2)

1.一种超表面偏振调控器件，该器件包括金属微结构层(3)、金属薄膜层(1)、绝缘介质层(2)，其特征在于：
所述的超表面偏振调控器件由五层结构组成，器件的顶层和底层为金属微结构层(3)，中间层为金属薄膜层(1)，顶层、底层与中间层之间由绝缘介质层(2)隔开；顶层和底层的金属微结构层(3)对于x轴和y轴具有周期性，对于x轴、y轴和z轴具有轴对称性，顶层和底层的金属微结构层(3)在x方向和y方向几何尺度不同，整体呈现各向异性；对于x和y偏振入射电磁波，其在这两个方向的透射波会有相位差；通过调节金属微结构层(3)的几何参数，其x和y偏振的透射波的相位差可覆盖0度到360度整个相位区间；对于线偏振态的入射波，其透射波偏振态可被转化为圆偏振，椭圆偏振，或线偏振，乃至完全偏振反转；对于圆偏振态的入射波，其透射波偏振态可被转化为线偏振，椭圆偏振，或左旋与右旋圆偏振之间的相互转化；
所述的金属微结构层(3)的厚度为40-65nm，材料为金、银或铝；
所述的金属薄膜层(1)的厚度为15-25nm，材料为金、银或铝；
所述的绝缘介质层(2)的材料为氟化镁，二氧化硅，氧化铝或硫化锌，材料为氧化铝时的厚度为10-35nm。
2.根据权利要求1所述的一种超表面偏振调控器件，其特征在于：在所述的超表面偏振调控器件结构表面加盖一层防止表面金属微结构氧化的超薄介质层，超薄介质层的材料为氟化镁，二氧化硅，氧化铝或硫化锌。
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