CN108535803B - 一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法，包括由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列排列而成的单层手性结构，金属纳米结构单元由一个金属纳米棒和一个“S”形金属纳米结构构成，金属纳米棒由第一组成块和第二组成块连接构成，第一组成块由金属镁材料制成，第二组成块和“S”形金属纳米结构由贵金属材料制成。该结构可以通过脱氢吸氢作用调节纳米金属棒的相对有效长度来实现调节非对称传输模式的大小和位置的目的，且该结构可一体成型，使用时只需要根据需要进行吸氢或者脱氢作用即可实现对该结构非对称传输信号的调节，制备和使用方法简单方便，易于操作。

Description

一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法。

背景技术

非对称传输（Asymmetric Transmission，AT）是指传输系统对沿不同传输方向入射的电磁波表现出不同的转化性能。如图1（a）所示，对于一个极化转换非对称传输系统A来说，从系统A正面入射的左旋光（left circularly polarized， LCP）经过系统A后，接收到的右旋光（right circularly polarized， RCP）的透射率为

，从系统A背面入射的左旋光经过系统A后接收到的右旋光的透射率为

。其中箭头方向表示从传输系统的正面或背面入射，下标“-”表示入射光为左旋光，“+”表示出射光为右旋光。一个偏振态光的总透射率为：

,

.

则对于系统A极化转换的非对称传输可以表示为：

又通过洛伦兹变化：

，

=

得到：

上述表达式表明沿圆偏振光入射-z方向激发的非对称传输的值和在+z方向激发的非对称传输的值相反。为了清楚和明确的表述，在本发明中我们规定圆偏振光沿-z方向入射。

其表示的物理意义如图1（b）所示，从正面入射到系统A的左旋光，经过系统A后转换为的右旋光，与从正面入射到系统A的右旋光，经过系统A后转换为的左旋的转换率是不同的。对于从背面入射时非对称传输的值是相同的。

传统实现非对称传输的系统通常利用的是互易材料或器件制成的，电磁波同样具有互易性，即电磁波的传播路径的可逆性。对于非对称传输来说，其包括很多内容，如透射强度、旋光度、以及极化转换等。而大多数可以实现极化转换的非对称传输光学系统都为多层结构，大多利用层与层之间的耦合作用来实现对于不同偏振的电磁波进行转化。对于这些双层或多层结构每一层来说，他们并不具备手性，但由于层与层之间存在旋转角，使得整个结构具备了手性。对于这种多层的手性结构一般都具备良好的非对称传输特性，但是由于其结构复杂，在实验中一般都难以制备，实际生产制造难度更大。

单层手性结构也具备极化转换的非对称传输特性，并且制备方法相对于双层和多层结构都比较容易。对于平面手性结构，大多数只将重心放在了解释造成对于不同极化转换率时，电荷或电流的不同分布，而对于不同的极化转化模式的调控并没有进行细致的研究。通常改变一个结构的几何参数时同时会改变其极化转换及对应的非对称传输光谱的共振位置及强度，但对于左右旋两种偏振光的极化转换的相对大小的调节几乎没有影响。而且一种特定的结构只能实现或者产生某一特定的模式，无法实现在一定程度上的动态调节，若要改变模式或者生成一种新的模式就需要重新设计制作新的结构，制作周期长，劳动成本高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的偏振光的极化转换的相对大小无法调节的问题，本发明提供了一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法，该结构可以通过调节纳米金属棒的相对有效长度来实现调节非对称传输模式的大小和位置的目的，且该结构可一体成型，后期使用时只需要根据需要进行吸氢或者脱氢作用即可实现对该结构非对称传输信号的调节，制备和使用方法简单方便，易于操作。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种可动态调节非对称传输的光学偏振器，包括由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列排列而成的单层手性结构；

所述每个周期单元中都包含一个金属纳米结构单元；所述金属纳米结构单元由一个金属纳米棒和一个“S”形金属纳米结构构成；

所述金属纳米棒和所述“S”形金属纳米结构位于同一平面；

所述金属纳米棒由第一组成块和第二组成块连接构成；

所述第一组成块由金属镁材料制成；所述第二组成块和所述“S”形金属纳米结构由贵金属材料制成。

进一步的，所述金属纳米棒位于所述“S”形金属纳米结构旁侧；所述金属纳米棒长边与所述“S”形金属纳米结构的长轴线互相平行。

进一步的，所述“S”形金属纳米结构由第三组成块和第四组成块通过端口连接构成；

所述第三组成块和第四组成块形状为半圆环。

进一步的，所述第三组成块的圆环外径r小于所述第四组成块的圆环外径R；所述金属纳米棒、所述第三组成块半圆环和所述第四组成块半圆环的宽度w相等。

进一步的，所述的光学偏振器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将所述光学偏振器置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述第一组成块中的金属镁与氢气发生氢化反应生成氢化镁，也就等同于介质，所述光学偏振器的金属纳米棒有效长度发生改变，随之改变其非对称传输特性；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，所述第一组成块还原为金属镁，所述光学偏振器的金属纳米棒有效长度还原至初始；

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现所述光学偏振器非对称传输信号的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明光学偏振器是一个由两个简单的结构金属纳米棒和“S”形金属纳米结构阵列组合而成的平面周期结构。本结构具有平面手性，对不同圆偏振光可以产生不同的极化转化率，可通过调节该结构的几何参数实现对不同偏振光转化率的调节。由于结构简单，且该结构为平面手性结构，平面结构相比于双层和多层手性结构制备工艺都比较容易，无需镀多层二氧化硅层和导电胶，尤其是在电子束曝光结构图形时省时快捷，能很好的被完善的平面制造技术所实现，速度快，效率高。

2.本发明光学偏振器中，单独的一个“S”形结构的非对称传输效应特别低，单独的一个纳米金属棒不具有非对称传输效应，但将两者放到一起形成组合阵列，在LCP的照射下，金属表面的 LSP（表面等离激元）形成电偶极子为主的共振模式，从而引起的高效圆偏振转换；而RCP照射下形成磁偶极子为主的共振模式导致低的圆偏振转换。本发明光学偏振器的金属纳米结构AT信号的强度从“S”形纳米阵列的5％显著增加到18％以上。

3.本发明光学偏振器中纳米金属棒的有效长度改变，该结构的手性也会随之发生变化，非对称传输效应发生改变。本发明光学偏振器第一组成块由金属镁制成，通过金属镁的吸氢脱氢作用，金属镁发生从镁（金属）到氢化镁（介质）的转化，纳米金属棒的有效长度随之发生改变，该结构的共振位置和模式随之发生改变，故而达到对其非对称传输效应调节的目的。为光学偏振器的设计提供了一种新的思路，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，也可以通过AT信号进行氢气的探测，具有一定的指导意义。

4.本发明光学偏振器的形成AT效应的振动模式主要集中在“S”形结构上，本发明光学偏振器的非对称传输模式的大小和位置既可以通过旁侧的纳米金属棒进行调节，也可以通过“S”形结构自身进行调节，调节方式多样，又相互独立。

5.本发明光学偏振器中平面手性结构可一体成型，制备工艺简单快捷，在后期使用时只需根据需要进行吸氢或者脱氢作用即可实现对该结构非对称传输效应的调节，制备工艺和使用方法简单方便，易于操作。

6.本发明光学偏振器具有强非对称传输效应，可以通过本发明的结构变化和第一组成块状态的变化调节可以实现非对称传输信号大小及位置的可预测式的调节，并且可获得各种偏振态的光，即出射光中有左旋偏振光、右旋偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他的结构（偏振片）可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用，应用于偏振变换器、电磁、偏振旋转器等装置的设计。

7.Mg价廉易得，MgH₂包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，Mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元，这是其他金属所不具备的性能。

附图说明

图1是极化转换的非对称传输原理示意图；

图2是本发明光学偏振器结构示意图；

图3是本发明光学偏振器立体结构示意图；

图4是单独“S”形金属纳米结构的非对称转化光谱图；

图5是本发明光学偏振器非对称转化效应光谱图；

图6是本发明光学偏振器非对称传输转化效应随着金属纳米棒长度l改变而变化的光谱图；

图7是本发明光学偏振器的电场分布图；

图8是本发明第一组块金属镁在转化前后光学偏振器的非对称传输转化光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图2和图3所示可动态调节非对称传输信号的光学偏振器，包括由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列排列而成的单层手性结构，每个周期单元中都包含一个金属纳米结构单元，金属纳米结构单元由一个金属纳米棒1和一个“S”形金属纳米结构2通过端口连接构成，金属纳米棒1和“S”形金属纳米结构2位于同一平面，金属纳米棒1由第一组成块11和第二组成块12连接构成，第一组成块11由金属镁材料制成，第二组成块12和“S”形金属纳米结构2由贵金属材料制成。

本实施例中，光学偏振器是一个由两个简单的结构金属纳米棒和“S”形金属纳米结构形成组合阵列的平面周期结构，本结构具有平面手性，对不同圆偏振光可以产生不同的极化转化率，可通过调节该结构的几何参数实现对不同偏振光转化率的调节。由于结构简单，且该结构为平面手性结构，平面结构相比于双层和多层手性结构制备工艺都比较容易，无需镀多层二氧化硅层和导电胶，尤其是在电子束曝光结构图形时省时快捷，能很好的被完善的平面制造技术所实现，速度快，效率高。

实施例2：

如图2所示，金属纳米棒1位于“S”形金属纳米结构2旁侧，金属纳米棒1长边与“S”形金属纳米结构2的长轴线互相平行。“S”形金属纳米结构2由第三组成块21和第四组成块22通过端口连接构成，第三组成块21和第四组成块22形状为半圆环。第三组成块21的圆环外径r小于第四组成块22的圆环外径R，金属纳米棒1、第三组成块21半圆环和第四组成块22半圆环的宽度w相等。

本实施例使用用电磁仿真软件COMSOL Multiphysics数值模拟了平面手性金纳米阵列的透射系数，设置参数：周期x方向边长Px = 300 nm，y方向边长Py = 380 nm。金属纳米棒以及“S”形纳米结构的宽度和厚度相等，宽度w = 40 nm，厚度t = 50 nm，间距g =60nm，金属纳米棒长度l =60 nm ，“S”形纳米结构的两个半圆环外径分别为r = 60 nm和R =100 nm。

如图4所示为单独“S”形金属纳米结构的非对称转化光谱图，在波长λ=720nm时，AT= -5%，AT信号为负，且特别小。单独的一个纳米金属棒不具有非对称传输效应。但在“S”形金属纳米结构旁添加一个纳米金属棒形成组合阵列，如图5所示，可以形成三个模式：模式Ⅰ、模式Ⅱ和模式Ⅲ，且模式Ⅲ具有较大的AT信号：在λ=720nm时，AT=18% ，非对称传输的信号明显增大且三个模式的符号均发生了反转，变为正。

如图6本实施例偏振器结构电场分布图所示，图6 (a)、(b)和(c)分别为LCP的照射下，在共振模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ处的表面电流分布和电荷分布。图6 (d)、(e)和(f)分别为RCP的照射下，在共振模式I、Ⅱ和Ⅲ处的表面电流分布和电荷分布。

从图6 (a)和(d)可以看出，在共振模式I处，LCP的照射下，金属结构主要以纳米金属棒的电偶极子共振模式为主；RCP的照射下，主要以纳米棒的电偶极子和第四组成块22电偶极子叠加的电共振模式为主，因此产生了较大的圆偏振转换，形成了圆偏振转换的峰。

从图6 (c)和(f)可以看出，在共振模式Ⅲ处，以第四组成块22上电共振模式为主，形成了圆偏振转换的峰。从图6 (b)和(e)可以看出，在共振模式Ⅱ处，RCP的照射下，主要以“S”形纳米结构的磁共振模式为主，形成了圆偏振转换的谷；在LCP的照射下，以纳米棒的电偶极子和第四组成块22电偶极子叠加的电共振模式为主，从而产生了较大圆偏振转换效率。

本实施例中光学偏振器的形成AT效应的振动模式主要集中在“S”形结构上，本发明光学偏振器的非对称传输模式的大小和位置既可以通过旁侧的纳米金属棒进行调节，也可以通过“S”形结构自身进行调节。

本实施例中的光学偏振器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将光学偏振器置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，第一组成块11中的金属镁与氢气发生氢化反应生成氢化镁，也就等同于介质，光学偏振器的金属纳米棒1有效长度发生改变，随之改变其非对称传输特性；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，第一组成块11还原为金属镁，光学偏振器的金属纳米棒1有效长度还原至初始。

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现光学偏振器非对称传输信号的调节。

实施例3：

如图7所示，在实施例1和实施例2的结构基础上，本发明光学偏振器中纳米金属棒的长度改变，该结构的手性也会随之发生变化，改变非对称传输效应，其AT效应的强度从“S”形纳米阵列的5％显著增加到18％以上。

如图7所示的非对称传输转化光谱图，其他参数如实施例1，固定不变，Px = 300nm，Py = 380 nm。金属纳米棒以及“S”形纳米结构的宽度和厚度相等，宽度w = 40 nm，厚度t = 50 nm，间距g =60 nm， S形纳米结构的两个半圆环外径分别为r = 60 nm和R = 100nm。纳米棒长度l分别为160 nm、170 nm、180 nm、190 nm、200 nm时：从图7(a)可以看出，在LCP的照射下，当纳米棒的长度l增加时，模式I红移；模式Ⅱ也出现微小的红移；模式Ⅲ基本不移动。这是因为模式I以纳米棒的电偶极子共振模式为主，因此随着纳米棒的长度l增加而红移；模式Ⅲ以第四组成块22上电共振模式为主，因此不受纳米棒的长度l的变化的影响。

从图7(b)可以看出，在RCP的照射下，当纳米棒的长度l增加时，模式I红移；模式Ⅱ和模式Ⅲ基本不动。这是因为模式I以纳米棒的电偶极子和第四组成块22电偶极子叠加的电共振模式为主，因此随着纳米棒的长度l增加而红移；模式Ⅱ以“S”形纳米结构的磁共振模式为主，模式Ⅲ以第四组成块22上电共振模式为主，因此不受金属纳米棒的长度l变化的影响。由于AT效应的峰值出现在共振模式Ⅱ附近，因此随着纳米棒的长度l增加，AT光谱红移很小，峰值出现微小的红移。

实施例4：

如图2所示，本实施例中光学偏振器第一组成块由金属镁制成，通过金属镁的吸氢和脱氢作用，使金属镁发生从镁（金属）到氢化镁（介质）的转化，改变纳米金属棒的有效长度，改变该结构的共振模式和位置，故而达到对其非对称传输效应调节的目的。

在常温下，将该光学偏振器置于含有一定浓度氢气的密闭容器中，以钯为催化剂，本实施例优选氢气体浓度为0.25V%和3.0V%，以氮气为载气。钯作为催化剂将氢气分子分解为氢原子，与金属镁发生氢化作用。

本实施例中，通过氢气浓度来调节金属镁的转化速度和转化率。在氢气体浓度为0.25V%时，随着时间的推移，金属镁逐渐发生吸氢作用形成MgH₂，发生了从完全金属化到完全介质化的转化，整个氢化过程完成大约100 min。当将本实施例光学偏振器置于3.0V%体积分数的高浓度氢气中，吸氢几乎是瞬间的。

然后在室温下，将氢化后的偏振器结构暴露在空气当中，发生脱氢作用，氢气逐渐从从镁金属上脱离，MgH₂逐渐转化为金属Mg，还原为初始状态，该结构的圆偏振光转化特性也恢复至之前的状态。

如图8所示，为本发明光学偏振器第一组块金属镁在转化前后的非对称传输转化光谱图。当第一组成块11为镁时，在λ=730nm时，AT=9% ；当第一组成块11金属镁转化为氢化镁时，在λ=730nm时，AT=15% 。通过第一组成块11从金属镁到氢化镁的转化，实现对非对称传输效应的调节。

为光学偏振器的设计提供了一种新的思路，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，也可以通过AT信号进行氢气的探测，具有一定的指导意义。

光学偏振器中平面手性结构可一体成型，制备工艺简单快捷，在后期使用时只需要根据需要进行吸氢或者脱氢作用即可实现对该结构非对称传输的调节，制备工艺和使用方法简单方便，易于操作。

本实施例中光学偏振器具有强非对称传输效应，通过本发明的结构变化和第一组成块状态的变化调节可以实现非对称传输信号大小及位置的可预测式的调节，并且可获得各种偏振态的光，即出射光中有左旋偏振光、右旋偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他的结构（偏振片）可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用，应用于偏振变换器、电磁、偏振旋转器等装置的设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可动态调节非对称传输的光学偏振器，包括由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列排列而成的单层手性结构；其特征在于：

所述每个周期单元中都包含一个金属纳米结构单元；所述金属纳米结构单元由一个金属纳米棒(1)和一个“S”形金属纳米结构(2)构成；

所述金属纳米棒(1)和所述“S”形金属纳米结构(2)位于同一平面；

所述金属纳米棒(1)由第一组成块(11)和第二组成块(12)连接构成；

所述第一组成块(11)由金属镁材料制成；所述第二组成块(12)和所述“S”形金属纳米结构(2)由贵金属材料制成；

所述金属纳米棒(1)位于所述“S”形金属纳米结构(2)旁侧；所述金属纳米棒(1)长边与所述“S”形金属纳米结构(2)的长轴线互相平行；

所述“S”形金属纳米结构(2)由第三组成块(21)和第四组成块(22)通过端口连接构成；

所述第三组成块(21)和第四组成块(22)形状为半圆环；

所述第三组成块(21)的圆环外径r小于所述第四组成块(22)的圆环外径R；所述金属纳米棒(1)、所述第三组成块(21)半圆环和所述第四组成块(22)半圆环的宽度w相等。

2.由权利要求1所述的任一光学偏振器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在室温下，将所述光学偏振器置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述第一组成块(11)的金属镁与氢气发生氢化反应生成氢化镁，也就等同于介质，所述光学偏振器的金属纳米棒(1)有效长度发生改变，随之改变其非对称传输特性；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，所述第一组成块(11)还原为金属镁，所述光学偏振器的金属纳米棒(1)有效长度还原至初始；

通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现所述光学偏振器非对称传输信号的调节。

Images