CN107957604A - 基于超构孔结构的太赫兹手性调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及手性调制器技术，为提出一种工作在太赫兹波段的、结构简单的、能够实现手性依赖透射、手性依赖表面等离子体激发和手性偏振态控制等多功能手性调制器。为此，本发明，基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，超构孔结构由四层组成，从上往下分别是超表面金属环、介质层、中间挖空的金属板、介质层，顶层超表面金属环的基本单元采用的是金属条对谐振器，金属条对谐振器由两个相同且相互垂直的金属条组成，通过绕着中心点O均匀旋转排列金属条对谐振器得到金属环，金属环中心与金属板中挖空的金属孔的中心相对，金属环‑介质层‑金属板设计能够产生强磁效应。本发明主要应用于手性调制器设计制造场合。

Description

基于超构孔结构的太赫兹手性调制器

技术领域

本发明是一种基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，属于电磁功能器件。具体讲,涉及基于超构孔结构的太赫兹手性调制器。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz,1THz＝10¹²Hz)波段因其独特的性质吸引着大量的学者，近年来，太赫兹技术在高速通讯、雷达探测、安全检查和药物检测等领域都展现出了巨大的应用潜力。太赫兹技术的进步需要高效的太赫兹源、探测器和各种工作在太赫兹波段的功能器件如偏振控制器^[1]、手性调制器^[2,3]和滤波器^[4]等。目前，太赫兹源和探测器已经取得了重大的进步，但是太赫兹功能器件的发展却相对缓慢，其中包括太赫兹手性调制器。手性响应是一种打破镜像对称的特殊响应。对于手性响应，是指两个不同自旋的圆偏振光在手性材料中，由于电场和磁场的相互耦合，会出现不同的响应，即被打破自旋简并。这样的光学行为在自然界的手性材料中往往很弱。超材料的提出空前拓展了人类操控电磁波的能力，在过去的几十年里，超材料在实现手性器件的发明方面被广泛研究。超材料的手性控制能力在很多应用方向上展现出了巨大的潜力，例如：手征负折射率^[5]、圆偏振片^[6]、偏振成像^[7]、非对称传输^[8]和光学自旋霍尔效应^[9]。不过，之前的工作大都是通过设计独立基本单元的电磁耦合实现手性调制器。对于这些器件，要想进一步增强手性响应，通常需要复杂的3D结构或者多层堆积结构^[10]，对加工工艺要求较高且损耗问题严重，不易于手性调制器的小型化、产业化的发展。

后来，研究者发现，具有二维结构的超表面对电磁波的波前也有着前所未有的调控能力。并且，超表面的厚度处于亚波长量级，显著地降低了光学损耗同时减小制作过程的复杂性。因此，超表面为电磁波波前的操控提供了一个更加实用化的手段。超表面的关键特征是具有构造相位、振幅突变和局部改变偏振的能力，更重要的是，把这种控制特征引入到表面等离子体领域，可以实现自旋相关的表面等离子体的激发，在不同的圆偏振光的入射下，传播的表面等离子体可以为输入光和输出光建立不同的连接，为设计手性调制器提供了方便且有前景的手段。

最近，有研究者通过把超表面和矩形金属狭缝结合起来发明了手性调制器^[11]。超表面由多列金属槽对谐振器组成，每对金属槽中的两个金属槽谐振器互相垂直，超表面180°旋转对称地分布在矩形金属狭缝的两侧。圆偏振光入射时，超表面激发出向中间传播的表面等离子体，利用表面等离子体传播到中间矩形金属狭缝被散射到自由空间的光与直接透过矩形金属狭缝的光之间的干涉，实现了对透射光的手性调制。但传统的金属槽谐振器激发表面等离子体的效率较低，限制了整个手性调制器的工作效率。并且，圆偏振光通过矩形金属狭缝会损失入射光原有的偏振态。

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发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种工作在太赫兹波段的、结构简单的、能够实现手性依赖透射、手性依赖表面等离子体激发和手性偏振态控制等多功能手性调制器。为此，本发明采用的技术方案是，基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，超构孔结构由四层组成，从上往下分别是超表面金属环、介质层、中间挖空的金属板、介质层，顶层超表面金属环的基本单元采用的是金属条对谐振器，金属条对谐振器由两个相同且相互垂直的金属条组成，通过绕着中心点O均匀旋转排列金属条对谐振器得到金属环，金属环中心与金属板中挖空的金属孔的中心相对，金属环-介质层-金属板设计能够产生强磁效应，介质层起到束缚太赫兹表面等离子体的作用，整个超构孔为独立式的结构，底层介质层的作用是便于把加工好的超构孔结构从硅片基底上撕下。

所述超构孔的制造：采用光刻工艺，从底层到顶层逐层加工；所述超表面金属环1和中间挖空的金属板3采用铝金属材料。

所述金属条对谐振器的两个金属条尺寸是113×25微米²，中心距离为s＝200微米；第一个金属条的激发方向与金属条中心连线的夹角，即方向角，记为θ。

所述金属板中间挖空的金属孔直径为d＝150微米；所述的中间介质层2是20微米厚的聚酰亚胺，底部介质层4是10微米厚的聚酰亚胺。

在圆偏振光的入射下，金属孔激发的表面等离子体携带等离激元轨道角动量为l＝σ，σ代表入射圆偏光的手性，σ＝–1代表右旋圆偏振光RCP(right-handed circularpolarization)；σ＝+1代表左旋圆偏振光LCP(left-handed circular polarization)；根据光路传播的可逆性，若要表面等离子体与这个金属孔相互作用后，散射出去的光也是相同的圆偏振光，则需要构造该表面等离子体具有等离激元轨道角动量为l＝σ，这样才能实现表面等离子体散射波与金属孔直接透射波的同偏振干涉，实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发；同理，若构造该表面等离子体具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，这样表面等离子体与金属孔相互作用后，散射出去的光将具有相反的圆偏振态，可以实现与金属孔直接透射波的正交圆偏振干涉，实现手性依赖太赫兹偏振控制。

对于一个由金属条对均匀旋转排列组成的金属环，在圆偏振光的入射下携带的等离激元轨道角动量为l＝σ(q-1)，其中，第一个金属条的方向角θ旋转一圈后的变化量记为qπ，q＝0,±1,±2...±10，金属环激发的表面等离子体正好具有等离激元轨道角动量为l＝σ，可以实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发；设计q＝0，金属环激发的表面等离子体正好具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，可以实现手性依赖太赫兹偏振控制。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明采用的金属孔，由于它完美的平面对称性，金属孔对于左旋和右旋圆偏振光入射的振幅透射率是相同的，重要的是，该金属孔可以保留入射光的偏振态。

(2)在太赫兹波段，金属界面的表面等离子体的色散约等于真空中自由空间波色散，因此对表面等离子体的束缚性不好，散射效果差，本发明中金属板上的介质层2可以起到很好的束缚太赫兹表面等离子体的作用。

(3)本发明中顶层超表面1的基本单元采用的是金属条对谐振器，金属条谐振器-介质-金属板的这种多层结构设计可以产生强磁效应，相比于单独的金属槽结构，该设计因其激发截面更大而具有更高的表面等离子体激发效率。所以，该设计可以减少谐振器的数目，使器件尺寸更小。

(4)该发明可以通过设计不同的金属环排布方式，得到不同的自旋-轨道角动量的转换可实现手性依赖透射的调控、表面等离子体的手性激发和偏振态控制等多功能手性调制器。

(5)在圆偏振入射下改变金属条的方向角θ，可以实现2π范围内任意相位的表面等离子体的激发，且该相位的符号是入射圆偏振手性相关的，即正比于σ。因此，改变整个金属环1中金属条的方向角θ，可以控制金属环激发的表面等离子体的初始相位，进而实现可控的手性响应。具体方法将会在具体实施方式中介绍。

附图说明：

图1为超构孔结构示意图。

图2为手性依赖透射示例中金属环的设计示意图。

图3为手性依赖透射示例中超构孔的透过率模拟结果。RCP代表右旋圆偏振光入射，LCP代表左旋圆偏振光入射。

图4为手性依赖透射示例中超构孔在设计频率处的手性透过率连续调控的模拟结果。

图5为表面等离子体手性激发的模拟结果。

图6为出射偏振态控制示例中，线偏振态调控的金属环设计示意图。

具体实施方式

为了设计出一种多功能、高性能、易加工的太赫兹手性调制器，本发明选用金属孔和超表面相结合设计出超构孔结构。超表面为金属微结构-介质层-金属平板型多层结构，选用的金属微结构基本单元是金属条对谐振器，金属条对绕一点均匀旋转排列组成金属环。这种多层结构的好处是可以提高表面等离子体的激发效率，因为在外场激发下，金属微结构和金属平板间会形成很强的磁谐振，其激发表面等离子体的散射截面较金属槽结构更大^[12]。在此种设计下，太赫兹波入射到金属环时会激发向位于环中心的金属孔方向传播的表面等离子体，利用直接从金属孔透过的太赫兹波与表面等离子体传到金属孔被散射到自由空间的太赫兹波之间的干涉作用，实现手性调制的相关功能。在这个作用过程中，自旋和轨道角动量之间的转换起着主要的作用。通过设计金属环中金属条谐振器的摆放方式能够控制激发表面等离子体的等离激元轨道角动量和初始相位，进而可以实现可控的手性调制。并且，该设计思路和设计平台在偏振控制、光学隔离、表面等离子体激发和芯片上手性操控等应用方面都有很好的前景。

本发明是一种基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，属于电磁功能器件。本发明利用超表面和金属孔的结合，引入具有手性依赖的传播表面等离子体和自旋相关的干涉，通过设计自旋-轨道角动量转换，实现太赫兹手性调制。

现有的太赫兹手性调制器通常是在独立基本单元的框架下进行电磁耦合的设计，要想进一步增强这些器件的手性响应，通常需要复杂的结构设计和加工。同时，现有的通过超表面引入表面等离子体的手性调制器工作在红外波段，且存在着一定的问题，其采用传统的金属槽谐振器激发表面等离子体，效率较低且入射光经过矩形金属狭缝会失去原有的偏振态。目前，工作在太赫兹波段的此类手性调制器还鲜见报道。因此需要设计出一种易加工能够实现多功能调制的太赫兹手性调制器。为了解决上述问题，本发明提出一种工作在太赫兹波段的、结构简单的、能够实现手性依赖透射、手性依赖表面等离子体激发和手性偏振态控制等多功能手性调制器。

基于超构孔结构的太赫兹手性调制器引入了具有手性依赖的传播表面等离子体和自旋相关的干涉，实现了出射太赫兹波的手性调制。自旋-轨道角动量转换在该工作过程中起着主要的作用，通过设计不同的自旋-轨道角动量的转换模式，可实现对出射太赫兹波的多功能手性控制，这是本发明的关键发明点。

本发明的超构孔结构由四层组成(如图1所示)，从上往下分别是超表面金属环1、介质层2、中间挖空的金属板3、介质层4。顶层超表面金属环1的基本单元采用的是金属条对谐振器^[13]，金属条对谐振器由两个相同且相互垂直的金属条组成，通过绕着中心点O均匀旋转排列金属条对谐振器即可得到金属环1。金属环1中心与金属板3中挖空的金属孔的中心相对。金属孔既能保留入射光的偏振态，又拥有偏振不依赖的透射谱。这里的金属环-介质-金属设计可以产生强磁效应，类似于一个强磁偶极子，相比于单独的金属槽结构，该设计因其激发截面更大而具有更高的激发效率^[14-16]。整个结构存在很好的旋转对称性，也就是说打破了镜像对称。同时，在太赫兹波段，金属界面的表面等离子体的色散约等于真空中自由空间波色散，因此对表面等离子体的束缚性不好，散射效果差，本发明中金属板上的介质层2可以起到很好的束缚太赫兹表面等离子体的作用^[16]。整个超构孔为独立式的结构，底层介质层4的作用是便于把加工好的超构孔结构从硅片基底上撕下。超构环结构的工作频率设计在0.75THz。

所述超构孔的制造：采用传统的光刻工艺，从底层到顶层逐层加工。

所述超表面金属环1和中间挖空的金属板3采用铝金属材料。

所述金属条对谐振器的两个金属条尺寸是113×25微米²，中心距离为s＝200微米；第一个金属条的激发方向与金属条中心连线的夹角，即方向角，记为θ，-90°≤θ≤90°；由该金属条对谐振器均匀旋转得到的金属环超表面的半径为L；金属条对的个数记为N。

所述金属板3中间挖空的金属孔直径为d＝150微米。

所述的中间介质层2是20微米厚的聚酰亚胺，底部介质层4是10微米厚的聚酰亚胺。

本发明中的创造性在于自旋-轨道角动量的转换。在圆偏振光的入射下，可以把入射光和金属孔的作用过程看作自旋-轨道角动量的转换，此时，金属孔激发的表面等离子体携带等离激元轨道角动量为l＝σ(σ代表入射圆偏光的手性，σ＝–1代表右旋圆偏振光，right-handed circular polarization,RCP；σ＝+1代表左旋圆偏振光，left-handedcircular polarization,LCP)。根据光路传播的可逆性，若要表面等离子体与这个金属孔相互作用后，散射出去的光也是相同的圆偏振光，则需要构造该表面等离子体具有等离激元轨道角动量为l＝σ，这样才能实现表面等离子体散射波与金属孔直接透射波的同偏振干涉，实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发。同理，若构造该表面等离子体具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，这样表面等离子体与金属孔相互作用后，散射出去的光将具有相反的圆偏振态，可以实现与金属孔直接透射波的正交圆偏振干涉，实现手性依赖太赫兹偏振控制。

对于一个由金属条对均匀旋转排列组成的金属环，在圆偏振光的入射下携带的等离激元轨道角动量为l＝σ(q-1)，其中，第一个金属条的方向角θ旋转一圈后的变化量记为qπ(q＝0,±1,±2...±10)^[17]。在本发明中，设计q＝2，金属环激发的表面等离子体正好具有等离激元轨道角动量为l＝σ，可以实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发；设计q＝0，金属环激发的表面等离子体正好具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，可以实现手性依赖太赫兹偏振控制。

在圆偏振光与金属环相互作用的过程中，包含了先从自旋角动量到等离激元轨道角动量，再到自旋角动量的转换。通过设计金属环使激发的等离激元轨道角动量携带不同的初始相位，实现金属环激发表面等离子体经金属孔散射波和金属孔直接透射波之间不同的干涉效果，进而实现可控的手性调制功能。

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下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。

实施例一

一种用于太赫兹波手性依赖透射和表面等离子体激发的超构孔结构，调制过程为：

(1)所述超表面金属环1和中间挖空的金属板3采用铝金属材料。

(2)所述的中间介质层2是20微米厚的聚酰亚胺，底部介质层4是10微米厚的聚酰亚胺。

(3)选择所述金属孔的直径为d＝150微米，其透过峰的响应频率在0.75T Hz附近。

(4)所述金属环需要携带的等离激元轨道角动量为l＝σ，由金属条对绕O点旋转复制一圈即得，如图2所示。

(5)所述金属条对谐振器的金属条尺寸为113×25微米²，中心距离为s＝200微米，方向角θ＝45°。

(6)所述金属条对数目N＝50，金属条方向角θ＝45°，金属环半径L＝1170微米，得到在0.75THz处太赫兹波归一化透过率在右旋圆偏振光入射时约为2，左旋圆偏振光入射时约为0，所述超构孔结构的透射模拟结果如图3所示。

(7)本发明中透射谱的手性依赖程度可以通过改变方位角θ改变表面等离子体的初始相位大小来实现自由调控。改变θ从-90°到90°取值，选择步长为15°，并保持其他参数不变，对超构孔结构在不同圆偏振光入射下的透过率进行模拟。图4展示了频率为0.75THz处的透射结果，可以从中得出：当θ＝±90°或者0°时，从谱线幅值相等可以看出，对于右旋和左旋圆偏振光分别入射的透过谱不是手性依赖的；当θ＝45°时，透过率的差别达到最大，因此透过率的手性依赖的对比度达到最大值；当θ取其他值时，随着θ的改变，透过率的手性依赖程度随之有规律的变化。即：θ从-90°变化到90°，透射的手性响应从无到有到无连续调控。

(8)该发明不仅可以调控手性依赖的透过率，也可以用以实现超构孔结构出射面手性依赖的表面等离子体激发。图5展示了右旋和左旋圆偏振光分别入射，θ＝0°,15°,30°和45°时，超构孔结构透射面的表面等离子体场分布的模拟结果。可以得到，表面等离子体的振幅与相应的透过率存在直接关系，透过率较大时激发的表面等离子体就较强。

实施例二

一种用于太赫兹出射偏振态手性控制的超构孔结构，调制过程为：

(1)所述超表面金属环1和中间挖空的金属板3采用铝金属材料。

(2)所述的中间介质层2是20微米厚的聚酰亚胺，底部介质层4是10微米厚的聚酰亚胺。

(3)选择所述金属孔的直径为d＝150微米，使其透过峰在响应频率0.75THz附近。

(4)所述金属环需要携带的等离激元轨道角动量为l＝-σ，金属条对绕点O顺时针旋转复制一圈，第m对金属条转过的角度记为α_m，每个金属条在旋转复制后再对应绕自身逆时针旋转α_m，如图6所示。

(5)所述金属条对谐振器的两个金属条尺寸是113×25微米²，中心距离为s＝200微米，方向角θ＝45°。

(6)所述金属条对数目N＝50，金属条方向角θ＝45°，金属环半径L＝1100微米，得到右旋圆偏振光入射时在0.75THz处超构孔出射45°方向的线偏振光。

(7)本发明中出射线偏振态的方向可以通过改变方位角θ改变表面等离子体的初始相位大小来实现自由调控。通过转动样品改变θ得到对应的各个方向线偏振光的出射。同时，因为任何偏振态都可以由两个正交圆偏振态干涉而得，所以通过设计N和θ来该表两个正交圆偏振态的振幅比和相位差，几乎可以得到任意偏振态的太赫兹波输出。对于左旋圆偏振光入射，所得偏振态与右旋圆偏振光入射所得偏振态正交。

尽管上面已经描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，在不脱离本发明原理的前提下，做出的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，超构孔结构由四层组成，从上往下分别是超表面金属环、介质层、中间挖空的金属板、介质层，顶层超表面金属环的基本单元采用的是金属条对谐振器，金属条对谐振器由两个相同且相互垂直的金属条组成，通过绕着中心点O均匀旋转排列金属条对谐振器得到金属环，金属环中心与金属板中挖空的金属孔的中心相对，金属环-介质层-金属板设计能够产生强磁效应，介质层起到束缚太赫兹表面等离子体的作用，整个超构孔为独立式的结构，底层介质层的作用是便于把加工好的超构孔结构从硅片基底上撕下。

2.如权利要求1所述的基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，所述超构孔的制造：采用光刻工艺，从底层到顶层逐层加工；所述超表面金属环1和中间挖空的金属板3采用铝金属材料。

3.如权利要求1所述的基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，所述金属条对谐振器的两个金属条尺寸是113×25微米²，中心距离为s＝200微米；第一个金属条的激发方向与金属条中心连线的夹角，即方向角，记为θ。

4.如权利要求1所述的基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，所述金属板中间挖空的金属孔直径为d＝150微米；所述的中间介质层是20微米厚的聚酰亚胺，底部介质层是10微米厚的聚酰亚胺。

5.如权利要求1所述的基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，在圆偏振光的入射下，金属孔激发的表面等离子体携带等离激元轨道角动量为l＝σ，σ代表入射圆偏光的手性，σ＝–1代表右旋圆偏振光RCP(right-handed circular polarization)；σ＝+1代表左旋圆偏振光LCP(left-handed circular polarization)；根据光路传播的可逆性，若要表面等离子体与这个金属孔相互作用后，散射出去的光也是相同的圆偏振光，则需要构造该表面等离子体具有等离激元轨道角动量为l＝σ，这样才能实现表面等离子体散射波与金属孔直接透射波的同偏振干涉，实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发；同理，若构造该表面等离子体具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，这样表面等离子体与金属孔相互作用后，散射出去的光将具有相反的圆偏振态，可以实现与金属孔直接透射波的正交圆偏振干涉，实现手性依赖太赫兹偏振控制。

6.如权利要求1所述的基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，其特征是，对于一个由金属条对均匀旋转排列组成的金属环，在圆偏振光的入射下携带的等离激元轨道角动量为l＝σ(q-1)，其中，第一个金属条的方向角θ旋转一圈后的变化量记为qπ，q＝0,±1,±2...±10，金属环激发的表面等离子体正好具有等离激元轨道角动量为l＝σ，可以实现手性依赖太赫兹透射和表面等离子体激发；设计q＝0，金属环激发的表面等离子体正好具有相反的等离激元轨道角动量为l＝-σ，可以实现手性依赖太赫兹偏振控制。