CN106168688B

CN106168688B - 圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器

Info

Publication number: CN106168688B
Application number: CN201610815676.5A
Authority: CN
Inventors: 段静文; 郭会杰; 董少华; 何琼; 周磊; 孙树林
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: CN106168688A

Abstract

本发明属于表面等离激元耦合器技术领域，具体为一种圆偏光入射下耦合方向可调的表面等离激元耦合器。本发明耦合器由两个相同结构和大小的本征区域拼接在激发区域的左右两边而组成；本发明利用PB几何相位原理构造出梯度超表面作为激发区域，它对入射圆偏光总波矢的反射相位梯度,从而将入射波变为SW(表面波)；同时设计与激发SW模式相匹配的本征区域，使得激发区域形成的SW能高效的导引到本征区域形成传播SPP。基于几何相位原理的反射相位梯度的方向依赖于入射圆偏光的手性，该装置在SPP耦合方向可调，模拟耦合效率约90%，实验耦合效率约85%，SPP耦合方向的手性依赖性质得以验证。相较传统SPP耦合装置，本发明具有系统简单、效率高、方向可调等优点。

Description

圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器

技术领域

本发明属于表面等离激元耦合器技术领域，具体涉及一种圆偏光入射下耦合方向可调的表面等离激元耦合器。

背景技术

我们都知道玻璃对光的折射率是1.45，金或者银对光的介电参数为负等等，这些现象起源于自然材料是由分子或原子构成的，分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质。电磁特异介质的思想就是通过精心设计某种人工的“分子和原子”（Meta-atom），通常称之为特异介质单元，将其以某种排列形式组合成（二维或者三维）阵列，构建自然界没有的特定电磁参数，便能得到特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”，从而实现异常折射、负折射等奇异光学现象。电磁特异介质大大扩展人们调制电磁波的自由度，具有广泛的应用前景。

梯度电磁特异介质表面（Gradient Meta-surface）是指某个特定的电磁表面对电磁波的相位响应随着位置成梯度分布，其厚度远小于工作波长，因此可以将其视为表面结构，该相位梯度可以为入射波提供额外波矢，将入射波转化为表面波（SW）再通过与之匹配的本征结构将SW引导到本征板，此时在本征板上的本征模式称之为类表面等离激元（SpoofSPP或者SPP)，而将传播波最终转化为SPP的转置称之为SPP耦合器。虽然这种类型的耦合器效率可以达到70%，但是它是工作偏振是线偏光，而且耦合方向不具有可调性，如果我们一定要改变SPP耦合方向，只能全部重新设计结构单元。对于传统类型耦合器，例如棱镜耦合器和光栅耦合器SPP耦合效率峰值在80%左右，工作偏振态只能是线偏，并且他们的体积相对于波长显得庞大，不利于光路集成化，而且都存在耦合方向不可调这一巨大缺陷。

几何PB相位（Pancharatnam-Berry (PB)，或者称之为几何Berry相位）告诉我们，不需要调整特异介质单元的结构常数，仅仅通过转动特异介质单元的主轴就可以调制反射相位和透射相位，并且保持反射率和透射率模值不变。几何PB相位的应用大大减少了设计梯度电磁特异介质表面的工作量和工艺误差带来影响，只需要对原包进行旋转就可以得到需要的相位梯度，并且得到的相位梯度对于不同手性的入射光是相反的，这个特征决定了我们可以通过改变入射光的手性去改变SPP耦合方向。

本发明应用电磁特异介质超表面（Meta-surface）的思想，通过特异介质单元（Meta-atom）的几何设计和构建几何（Pancharatnam-Berry (PB)，或者称之为几何Berry相位）相位梯度，构造出了圆偏光（CP）入射下效率近90%表面等离激元（SPP）耦合器，并且通过改变入射光的手性可以方便的调控SPP耦合方向，这种高效灵活可调的SPP耦合器极大的增强了人们对电磁波行为调控的能力。

本发明同时利用电场矢量的基本理论推导出高效率耦合SPP时激发单元结构应该满足的设计标准，即将激发区域单元设置为镜像对称结构，而且对于横电和横磁的入射波有180°的相位差，从而使得零阶反射为0，SPP耦合效率提高至90%。总之，本发明设计的基于PB的SPP耦合器相较于传统SPP耦合器具有手性可调和高效率的双重特征，而且体积相较于波长小，利于集成化SPP波导的构建。

发明内容

本发明的目的在于设计一种圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器，其在中心频率处耦合效率接近90%，改变入射光的手性可以调节SPP的耦合方向，同时也可通过改变激发区域原胞的旋转角度去调控耦合出去的SPP波矢，极大的增加人们对电磁波调控的灵活性。

本发明设计的圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器，在圆偏光入射下的高效率SPP耦合，因为线偏可以分解为左右旋圆偏光，所以线偏光入射下此耦合器也是以90%的高效率工作，只是线偏光入射下耦合的SPP不具有定向性，但是通过调节入射光的左右旋光的比例可以调节耦合到两个相反方向的SPP的比例。

本发明设计的圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器，分为激发区域和本征区域两个部分，由两个相同结构和大小的本征区域拼接在激发区域的左右两边而组成；其中，激发区域是由满足高效激发条件的特异介质单元即原胞沿轴方向轴方向二维延拓得到；其中，沿轴方向延拓为周期平移，同时，特异介质单元以角度顺时针依次旋转，即以第一个特异介质单元为基准，第二个特异介质单元旋转角度，第三个特异介质单元旋转角度2，…，第n个特异介质单元旋转角度(n-1)，其中为激发区域沿方向原胞个数；；激发区域沿方向大小为5-7个波长的尺寸；沿轴方向延拓为沿轴方向延拓得到的特异介质单元阵列，进行周期平移；沿方向周期延拓至10-15个波长的尺寸；所述特异介质单元是一种“空气/金属微结构/电介质/金属衬底” 三明治结构体系，具有镜面对称性，其结构如图1和图2，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气；上层的金属微结构为工字形结构，中间的电介质层为各向同性的均匀介质；本征区域由特别设计的特异介质单元经二维无限周期拓展而得到；所述特异介质单元也是一种“空气/金属微结构/电介质/金属衬底” 三明治结构体系，具有镜面对称性，其结构如图3、4所示，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气；上层的金属微结构为十字形结构，且十字形结构的上下左右两端分别具有横杠，称为耶路撒冷十字型结构；中间的电介质层为各向同性的均匀介质；将设计好的特异介质单元结构进行二维无限周期拓展，即便得到本征区域，实际加工不可能无限大，一般将特异介质单元横向和纵向延拓至5个波长以上的尺寸（例如5-100个波长的尺寸），得到的本征区域即可正常工作。将本征区拼接在激发区的左右两边，统一方向周期延拓尺寸为10-15个波长构成SPP耦合器，如图5和图10。

本发明通过电场矢量基本特性推导出高效激发区域特异介质单元的特征，即既需要满足镜像对称也需要，对于和偏振入射光有相位差。同时将激发区域单元进行几何角度的旋转，引入针对于圆偏入射光的反射相位梯度（为真空中电磁波传播相位梯度），使得入射到激发区域的圆偏光束缚在激发区域表面形成表面波（SW），此时的SW并不是一种本征的电磁模式，为了重复利用激发的SW，设计与SW相匹配的本征板，将激发板中形成的SW到引导本征板形成SPP，而SPP是本征的电磁模式，可用于信息传递、表面等离激元光路构建等。考虑到激发区域将入射圆偏光束缚在表面，也就是将电场的（垂直）、（平行）分量均束缚在激发区域表面，形成的表面波是横电表面波（TE SW）和横磁表面波（TMSW）的混合态。所以本发明构建的本征板也必须同时支持TE SPP和TM SPP才能最大效率的耦合激发区域SW形成需要的SPP。

本发明装置高效激发单元的设计原理，从电场矢量特性出发，可以得到激发单元设计标准。我们研究在全反三层结构体系里单元的旋转对圆偏入射光的反射相位调控。单元结构周期拓展所组成的平面为平面，与该平面垂直的方向为轴，单元主轴分别是和，理论上，入射圆偏光（CP）的形式为：；

镜像对称体系下有反射波：；

把组成阵列的电磁单元进行集体旋转，得到新的单元主轴和，此时原入射波在坐标系下可表示为：

；

反射波在坐标系下为：

；

化简可得：

；

再把反射波转换到坐标系可得：

；

将此式子化简得：；

其中，为入射电场，为反射电场，为真空中电磁波传播波矢，、分别是与方向相位延迟，、分别是和方向的相位延迟。

根据以上的推导可知，左旋圆偏光（LCP）入射到原胞旋转后的电磁阵列，反射波既有LCP也有右旋光（RCP），其中LCP就是0阶反射，而RCP带有一个与几何旋转角度相关的相位，这个相位就是几何PB相位。本发明就是通过几何旋转去调控电磁波行为，所以RCP是我们需要的，而LCP作为0阶反射是需要消除的。所以本发明设计激发原胞在镜像对称前提下使得其偏振方向与偏振方向对于反射波有的相位差，使得，将0阶反射消除。

然后，将设计好的激发区域全同原胞沿着方向周期延拓，并进行旋转,相邻原胞旋转角度间隔为，当入射波为LCP（RCP），反射波的RCP(LCP)获得了一个附加的几何Berry相位梯度，即沿方向获得一个额外反射相位梯度，正入射时，当这个额外相位梯度时，入射圆偏光被束缚在激发区域表面形成表面波，形成的表面波会被到引导与之对接的本征板，形成SPP。激发区域可以将入射波全部转化为SW，另外本征板支持的SPP波矢与激发板相匹配，使得激发板上SW能近100%的耦合到本征板上，最终实现传播波到SPP的高效率耦合。

作为一个例子，利用有限时域差分（FDTD）对满足上述要求的激发区域原胞进行结构参数优化：原胞大小为7mm×7mm，（即周期长度p为7mm）；设金属微结构的厚度为a5，工形结构的中间金属条的长度为a2，工形结构的左右两端横杠的长度为a1,金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5=0.1mm，a2=4mm, a1=2.2mm, a3=0.5mm；电介质厚度a4=2mm，金属衬底厚度a6=0.1mm，所有参数的容差在±0.02mm，如图1、2，所设计的本征特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz,有限时域差分（FDTD）计算与实验完美吻合。同时利用有限元（FEM）的方法对本征单元进行优化设计：原胞大小为7mm×7mm（即周期长度p为7mm）；设金属微结构的厚度为h0，十形结构的上下和左右金属条的长度为h1，十形结构的上下两端横杠的长度为h2, 十形结构的左右两端横杠的长度为h3，金属微结构各部分的线宽为h4，金属微结构的结构参数为：h0=0.1mm，h1=4mm, h2=2.4mm, h3=1.5mm, h4=0.5mm；电介质厚度h5=2mm，金属衬底厚度h6=0.1mm，所有参数的容差在±0.02mm。所设计的本征特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz,有限元（FEM）计算与实验完美吻合，如图3、4。

将设计好的激发电磁单元和本征电磁单元组合为SPP耦合器，全波模拟效率90%，实验效率85%，同时我们也从远场散射和近场扫描两个方面同时验证了设计的SPP耦合器的高效率，实验与模拟相互吻合。

此设计结合了电场矢量基本特性和与手性相关的几何Pancharatnam-Berry(PB)，使得该SPP耦合器不仅高效而且SPP耦合方向可调，我们设计的装置工作在10GHz，通过比例缩放或重新设计特异介质单元的结构参数，便可以将工作频率推广到任意其他频率范围。

附图说明

图1：激发区单元的结构常数（顶视图）。

图2：激发区单元的结构常数（侧视图）。

图3：本征区单元的结构常数（顶视图）。

图4：本征区单元的结构常数（侧视图）。

图5：由激发区域和本征区域共同构成的SPP耦合器效果图。

图6：激发区域实物图。

图7：本征区域实物图。

图8：本征区域的色散曲线，数值计算与实验吻合。其中“EXP”表示实验测量，“FEM”表示有限元计算。

图9：激发原胞阵列的相位曲线，其中“EXP”表示实验测量，“FDTD”表示有限时域差分计算，数值计算与实验吻合。

图10：由激发区域和本征区域共同构成的SPP耦合器实物图。

图11：远场散射测量方法示意图，远场散射测量示意图，其中“蘑菇结构”（mushroom）表示的是本征区域，“几何相位超表面”（PB metasurface）表示激发区域，箭头表示的是能量走向。

图12：实验测量远场散射，实验测量了工作频率10GHz和非工作频率9GHz的远场散射图。其中“Exp”表示实验测量，“FDTD”表示有限时域差分计算。

图13：反射率测量曲线和近场SPP强度实验测量，其中“SPP-R”表示右边SPP强度，“SPP-L”表示左边SPP强度，“Refl”表示反射率。

图14：FEM计算出来的SPP耦合方向随入射光手性改变而改变，其中表示SPP某一电场分量，RCP表示右旋光，LCP表示左旋光。90%表示理想情况下SPP耦合器的耦合效率。

具体实施方式

本发明设计关键是如何实现高效的传播波（PW）到SW的转化区域，然后设计与SW匹配的本征板把SPP高效的导引出来。前者涉及到电场矢量叠加和几何PB相位，后者涉及到本征电磁特异单元的设计。

通过有限时序差分（FDTD）和有限元（FEM）的电磁波计算程序包模拟，分别设计激发原胞和本征原胞。激发具有镜面对称性，由三层结构构成：

第一层是“工”字型完美金属片（PEC），其结构参数：a5=0.1mm，a2=4mm, a1=2.2mm,a3=0.5mm，如图1、图2所示。

第二层为各向同性的均匀介质，其相对介电常数为4.3，相对磁导率为1，相对电导率为0，厚度为a4=2mm，周期p=7mm，如图1、图2所示。

第三层为完整的完美金属层，厚度为a6=0.1mm，如图1、图2所示。

本征原胞也由三层结构构成：

第一层是耶路撒冷十字型的完美金属片，其结构参数分别为：h0=0.1mm，h1=4mm,h2=2.4mm, h3=1.5mm, h4=0.5mm；如图1、图2所示。

第二层为各向同性的均匀介质，其相对介电常数为4.3，相对磁导率为1，相对电导率为0，电介质厚度h5=2mm，大小为7mm×7mm（即周期p为7mm）,如图1、图2所示。

第三层为金属衬底，即完整的完美金属层，金属衬底厚度h6=0.1mm，如图1、图2所示。

上述所有参数的容差在±0.02mm。

我们将激发单元的分别绕轴转动，，，，，，构成阵列作为激发区域，入射波将得到额外的反射相位梯度:

，

其中,为原胞周期，再将本征原胞周期性排列构成本征区域（如图7），最后将激发区域和本征区域进行拼接构成SPP耦合器，如图5、9所示。其中入射圆偏光照射在激发区域，导引出来的SPP在本征区域。

实验和检测，我们制作大小为印刷电路板（Print Circuit Broad），中间的各向同性均匀介质为FR-4材料。在FR-4的整个下表面镀上厚度为铜膜，上表面印刷出模拟中设计的激发单元和本征单元。

实验1：激发单元相位测量实验

高效激发的条件是激发区域原原胞对于和偏振的入射光有相位差，所以我们将设计的激发原包扩展为周期阵列，如图6所示，利用角锥喇叭作为入射和接收信号装置，测得激发原胞阵列对于不同偏振的反射相位曲线，如图8，实验和模拟结果相一致，实验结果显示在中心频率10GHz处。

实验2：本征单元色散关系测量实验

在本征板上进行近场扫描，将探针与超表面垂直放置，测量分布，这个时候得到的是TM SPP的信息。对于TE SPP，这个时候需要测量是场，可以用一组螺旋的铜线代替探针，靠近超表面3mm进行扫描，这个时候得到TE SPP的信息。将扫描后的数据进行处理得到本征板的色散关系，如图8。

实验3：远场散射测量以及效率分析

远场测量步骤如图10所示，首先测量SPP耦合器，用角锥喇叭垂直照射激发区域，在离耦合器平面20mm处用吸波体覆盖本征区域，另一只角锥喇叭在耦合器上表面180°范围内扫描，可以得到SPP耦合器的散射远场的总能流得；接着，用金属平板（PEC）代替SPP耦合器重复上面步骤测得远场散射，可以得到入射场的总能流，此耦合器效率。为了清晰的展示耦合器的高效，我们在工作在频率10GHz和非工作中频率9GHz处分别做出了实验测量和数值计算的远场散射图，如图11，在10GHz处因为入射圆偏光被耦合为SPP导引出去，使得远场散射很弱，此时积分计算SPP耦合效率85%；与之相对的是9GHz处此耦合器很低无法把入射波耦合为SPP，使得入射波能量绝大部分散射到远场，SPP耦合效率在5%左右，两个频率处远场散射图的对比证明了此耦合器在工作频率处能高效将入射能量耦合为SPP。

实验4：SPP耦合方向手性测试

左旋光（LCP）入射到激发区域，结合远场散射测量和近场扫描技术，测量得到SPP左右强度分布和反射系数频率分布，如图12，在工作频率10GHz处，是一个反射谷底，因为此时的能量转化为SPP了，而且SPP能量主要耦合到了右边的本征板。根据PB超表面的手性依赖，很容易得出右旋光（RCP）入射时，耦合SPP一定在左边，所以我们从实验角度验证了该装置SPP耦合方向手性灵活可调。图13给出了FEM计算出SPP耦合方向随入射波手性改变而改变的模拟图。

需要强调的是，上述发明设计的圆偏光入射下高效且手性可调的SPP耦合装置不仅仅局限在微波中实现其功能，如果客户需要其他的工作频率，我们可以等比例缩放（电磁波标度定律）或重新设计特异介质单元的结构参数，就能在其他频率范围实现相同的功能。

Claims

1.一种圆偏光入射下耦合方向可调的表面等离激元耦合器，其特征在于，分为激发区域和本征区域两个部分，由两个相同结构和大小的本征区域拼接在激发区域的左右两边而组成；其中，激发区域是由满足高效激发条件的激发特异介质单元即原胞沿轴方向轴方向二维延拓得到；其中，沿轴方向延拓为周期平移，同时，激发特异介质单元以角度顺时针依次旋转，即以第一个激发特异介质单元为基准，第二个激发特异介质单元旋转角度，第三个激发特异介质单元旋转角度2θ，…，第n个激发特异介质单元旋转角度(n-1)θ，其中为激发区域沿方向原胞个数；激发区域沿方向大小为5-7个波长的尺寸；沿轴方向延拓为沿轴方向延拓得到的激发特异介质单元阵列，进行周期平移；沿方向周期延拓至10-15个波长的尺寸；所述激发特异介质单元是一种“空气/金属微结构/电介质/金属衬底” 三明治结构体系，具有镜面对称性，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气；上层的金属微结构为工字形结构，中间的电介质层为各向同性的均匀介质；本征区域由特别设计的本征特异介质单元经二维无限周期拓展而得到；所述本征特异介质单元也是一种“空气/金属微结构/电介质/金属衬底” 三明治结构体系，具有镜面对称性，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气；上层的金属微结构为十字形结构，且十字形结构的上下左右两端分别具有横杠，称为耶路撒冷十字型结构；中间的电介质层为各向同性的均匀介质；将设计好的本征特异介质单元结构进行二维无限周期拓展，即得到本征区域，其大小尺寸为5个波长以上；将本征区域拼接在激发区域的左右两边，统一方向周期延拓尺寸为10-15个波长，即构成所需表面等离激元耦合器。

2.根据权利要求1所述的圆偏光入射下耦合方向可调的表面等离激元耦合器，其特征在于，激发区域中激发特异介质单元进行几何角度旋转时，引入针对于圆偏入射光的反射相位梯度，为真空中电磁波传播相位梯度。

3.根据权利要求1或2所述的圆偏光入射下耦合方向可调的表面等离激元耦合器，其特征在于，利用有限时域差分对满足上述要求的激发区域原胞进行结构参数优化：原胞大小为7mm×7mm，，即周期长度p为7mm；设金属微结构的厚度为a5，工字形结构的中间金属条的长度为a2，工字形结构的左右两端横杠的长度为a1，金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5=0.1mm，a2=4mm, a1=2.2mm, a3=0.5mm；电介质厚度a4=2mm，金属衬底厚度a6=0.1mm，所有参数的容差在±0.02mm；所设计的本征区域的特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz；同时利用有限元的方法对本征单元的结构参数进行优化：原胞大小为7mm×7mm，即周期长度p为7mm；设金属微结构的厚度为h0，十字形结构的上下和左右金属条的长度为h1，十字形结构的上下两端横杠的长度为h2，十字形结构的左右两端横杠的长度为h3，金属微结构各部分的线宽为h4，金属微结构的结构参数为：h0=0.1mm，h1=4mm, h2=2.4mm, h3=1.5mm, h4=0.5mm；电介质厚度h5=2mm，金属衬底厚度h6=0.1mm，所有参数的容差在±0.02mm；所设计的本征区域的特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz。