CN107783309B - 金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用，所述金属纳米砖阵列结构，包括衬底和衬底上的金属纳米砖阵列；所述金属纳米砖阵列由金属纳米砖单元排列构成；所述金属纳米砖单元包括沿金属纳米砖宽的方向、等间隔排列成一列的、若干尺寸一致的金属纳米砖；所述金属纳米砖为长方体形且为亚波长尺寸。将所述金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器，在可见光波段490nm～590nm可达到90％以上的分光效率，在475nm～765nm波段可达到80％以上的分光效率。另外，利用金属纳米砖阵列结构的偏振分光器还具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等优势。

Description

金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用

技术领域

本发明属于微纳光学和偏振光学技术领域，尤其涉及一种金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用。

背景技术

偏振分光器是光学系统中的一种重要器件，可以将一束光分离为相互正交的两束偏振光，并能沿不同路径传播，在光纤通信、光纤传感等领域有重要的应用。常用的偏振器件多是薄膜干涉型或双折射晶体型偏振器件。薄膜干涉型偏振器件为了区分TE和TM两种偏振状态，通常要将偏振分束膜胶合在棱镜中。而双折射晶体型偏振器件则是利用晶体的双折射特性设计，限制于晶体的种类及尺寸。传统的偏振器件通常只对很小的频率范围或某一角度范围有效，并且价格昂贵、工艺复杂、体积大，不容易实现光子集成，因此业内亟待新技术的更新和革命。

发明内容

针对传统偏振分光器的不足，本发明结合等效介质理论，提供了一种高效且易于集成的金属纳米砖阵列结构及其用作偏振分光器的应用。

本发明提供的金属纳米砖阵列结构，包括衬底和衬底上的金属纳米砖阵列；所述金属纳米砖阵列由金属纳米砖单元排列构成；所述金属纳米砖单元包括沿金属纳米砖宽的方向、等间隔排列成一列的、若干尺寸一致的金属纳米砖；所述金属纳米砖为长方体形且为亚波长尺寸。

进一步的，所述衬底为二氧化硅衬底，但不限于此。

进一步的，所述金属纳米砖为金纳米砖或银纳米砖，但不限于此。

作为优选，所述金属纳米砖单元包括3～5个金属纳米砖。

作为优选，所述金属纳米砖单元中相邻金属纳米砖的间隔和所述金属纳米砖的宽相等。

本发明提供的金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器的应用，其特点为：采用电磁仿真法优化构成金属纳米砖阵列结构的金属纳米砖单元的结构参数，使得工作波长下任意偏振态的偏振光正入射所述金属纳米砖阵列结构时，TM波被反射，TE波直接透过，达到相互垂直的两束线偏振光分离的工作效果；

根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖阵列结构，即偏振分光器；

将所述金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器，

所述金属纳米砖单元的结构参数包括①金属纳米砖的长、宽和高，②金属纳米砖单元中相邻金属纳米砖的间隔，以及③金属纳米砖单元的周期尺寸；

所述金属纳米砖单元的周期尺寸的定义为：

将金属纳米砖阵列结构看成由若干尺寸一致的金属纳米砖单元结构拼接排列构成，各金属纳米砖单元结构则由单个金属纳米砖单元和该单个金属纳米砖单元所附着的衬底单元构成，所述衬底单元的边长即金属纳米砖单元的周期尺寸。

进一步的，所述优化金属纳米砖单元的结构参数，具体为：

采用电磁仿真法，优化单个金属纳米砖单元的结构参数，即在工作波长下，仿真偏振光正入射于金属纳米砖阵列结构，获得反射的TM波效率最大同时反射的TE波效率最小的一组结构参数，即优化后的结构参数；

且，所述根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖阵列结构，具体为：

根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖单元结构，将优化后的金属纳米砖单元结构分别沿金属纳米砖长和宽的方向紧密排列，获得优化后的金属纳米砖阵列结构。

本发明提供了一种金属纳米砖阵列结构，将其用作偏振分光器，和传统偏振分光器相比，具有如下优点：

(1)对入射光进行偏振分离后，不改变光轴；

(2)对入射光的偏振态不敏感，无论入射光偏振态如何，都能将入射光分解为相互垂直的两种线偏光TE光和TM光，其中，TM光反射，TE光透射；

(3)使用金属材料设计了可见光波段的偏振分光，为首创；

(4)结构参数的偏差对本发明偏振分光器特性影响较小；

(5)TM波在475nm～765nm波段可达到80％以上的反射率，同时TE波在该波段可达到80％以上的透过率；

(6)和传统偏振光器件相比，本发明具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等重要优点；

(7)金属纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单；

(8)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域。

附图说明

图1是实施例中金属纳米砖单元结构的示意图；

图2是实施例中部分金属纳米砖阵列结构的三维结构示意图；

图3是实施例中沿与X轴45°偏振的线偏振光正入射下TM波反射率和TE波透过率随波长的变化关系。

图中，1-金属纳米砖；2-衬底。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

见图1～2所示的金属纳米砖阵列结构，包括两层，从下至上为衬底2和排列于衬底2上的金属纳米砖阵列，其中，金属纳米砖阵列由金属纳米砖单元周期性排列构成，金属纳米砖单元包括沿金属纳米砖宽的方向、等间隔排列成一列的、若干尺寸一致的金属纳米砖1。所述金属纳米砖1为长方体形且其长宽高为亚波长尺寸。本实施例中，金属纳米砖为银纳米砖，衬底为二氧化硅衬底。图2中显示了3×3个金属纳米砖单元。

所述金属纳米砖阵列结构可采用本领域常规的光刻工艺制作，下面将提供一种具体制备工艺，包括步骤：

(1)衬底上镀金属薄膜；

(2)金属薄膜上涂镀光刻胶；

(3)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；

(4)依次经显影、刻蚀，即在衬底上获得金属纳米砖阵列。

所述金属纳米砖阵列结构可用作偏振分光器，将该金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器时，TM光工作模式为反射式，TE光工作模式为透射式。

下面将提供银纳米砖阵列结构用作偏振分光器的具体实施过程。

本实施例中，衬底为二氧化硅衬底。选取工作波长λ＝550nm，可工作的波长范围为475nm～765nm。构建坐标系，以银纳米砖的长、宽、高分别为X轴、Y轴、Z轴，见图1，XOY面即衬底上表面。

第一步，采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化银纳米砖单元的结构参数，使得银纳米砖阵列结构反射的TM波效率达到最大且反射的TE波效率达到最小，这样才能实现偏振分离功能。所述TE波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于入射面的线偏振波；所述TM波为偏振态的入射光所分解的电场水平于入射面的线偏振波。

本实施例中，优化后的结构参数为：银纳米砖长L＝220nm、宽W＝35nm、厚H＝105nm，银纳米砖单元内相邻银纳米砖的间隔t＝35nm，银纳米砖单元的周期尺寸CS＝300nm。

为便于理解银纳米砖单元的周期尺寸，这里提出银纳米砖单元结构的概念。所述银纳米砖单元结构由单个银纳米砖单元和该单个银纳米砖单元所附着的衬底单元构成，图1中所示衬底即这里所述的衬底单元，本具体实施方式中，单个银纳米砖单元包括4个排成一列的银纳米砖。因此，金属纳米砖阵列结构可看成由若干银纳米砖单元结构紧密排列构成。银纳米砖单元的周期尺寸即银纳米砖单元结构中衬底单元的边长。

第二步，经过第一步，即可确定单个银纳米砖单元结构，若干单个银纳米砖单元周期性紧密排列，即可获得银纳米砖阵列结构。

对确定的银纳米砖阵列结构，采用CST STUDIO SUITE电磁仿真工具仿真其在不同波长的工作效率。图3所示为沿与X轴45°偏振的线偏振光正入射下TM波反射率和TE波透过率随波长的变化关系，从图3可以看出：在中心波长550nm下，TM波反射率达到96％，TE波透过率达到95％，具有很好的偏振分光效果；在490nm～590nm波长下，TM波反射率及TE波透过率均达到90％以上，带宽达到100nm；在475nm～765nm波长，TM波反射率及TE波透过率均在80％以上，带宽达到290nm。当含有多种偏振态的光正入射至此偏振分光器上时，TM波会发生反射，而TE波会发生透射，从而达到偏振分光的效果。

第三步，根据第二步确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备偏振分光器。

第四步，采用波长λ＝550nm的准直激光光源，配合检偏器，实验验证所制备偏振分光器的起偏功能，具体做法为：分别用线偏振光和圆偏振光入射，使用检偏器从反射端和透射端进行检验。经验证，该偏振分光器具有分离出TM波及TE波的功能。

本实施例所获得偏振分光器，在可见光波段490nm～590nm可达到90％以上的分光效率，在475nm～765nm波段可达到80％以上的分光效率。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器的应用，其特征是：

所述金属纳米砖阵列结构包括衬底和衬底上的金属纳米砖阵列；所述金属纳米砖阵列由金属纳米砖单元排列构成；所述金属纳米砖单元包括沿金属纳米砖宽的方向、等间隔排列成一列的、若干尺寸一致的金属纳米砖；所述金属纳米砖为长方体形且为亚波长尺寸；其中，金属纳米砖单元为银纳米砖单元，银纳米砖单元内相邻银纳米砖的间隔t＝35nm；

采用电磁仿真法优化构成金属纳米砖阵列结构的金属纳米砖单元的结构参数，使得工作波长下任意偏振态的偏振光正入射所述金属纳米砖阵列结构时，TM波被反射，TE波直接透过，达到相互垂直的两束线偏振光分离的工作效果；

根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖阵列结构，即偏振分光器；

将所述金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器，

所述金属纳米砖单元的结构参数包括①金属纳米砖的长、宽和高，②金属纳米砖单元中相邻金属纳米砖的间隔，以及③金属纳米砖单元的周期尺寸；

所述金属纳米砖单元的周期尺寸的定义为：

将金属纳米砖阵列结构看成由若干尺寸一致的金属纳米砖单元结构拼接排列构成，各金属纳米砖单元结构则由单个金属纳米砖单元和该单个金属纳米砖单元所附着的衬底单元构成，所述衬底单元的边长即金属纳米砖单元的周期尺寸。

2.如权利要求1所述的金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器的应用，其特征是：

所述优化金属纳米砖单元的结构参数，具体为：

采用电磁仿真法，优化单个金属纳米砖单元的结构参数，即在工作波长下，仿真偏振光正入射于金属纳米砖阵列结构，获得反射的TM波效率最大同时反射的TE波效率最小的一组结构参数，即优化后的结构参数；

且，所述根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖阵列结构，具体为：

根据优化后的结构参数获得优化后的金属纳米砖单元结构，将优化后的金属纳米砖单元结构分别沿金属纳米砖长和宽的方向紧密排列，获得优化后的金属纳米砖阵列结构。

3.如权利要求1所述的金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器的应用，其特征是：

所述金属纳米砖单元包括3～5个金属纳米砖。

4.如权利要求1所述的金属纳米砖阵列结构用作偏振分光器的应用，其特征是：

所述金属纳米砖单元中相邻金属纳米砖的间隔和所述金属纳米砖的宽相等。