CN108562961B - 一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法，该光学偏振器包括一基底层和一平面结构，平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列连接构成，每个周期单元中包含有一个结构单元，结构单元由一矩形孔和一半圆形孔组合构成，半圆形孔的圆弧与矩形孔长边相离或相切；半圆形孔直径与矩形孔长边相平行；每个纳米周期单元由贵金属材料制成，所述半圆形孔由金属Mg填充至完全。本发明光学偏振器结构可以通过半圆形孔填充金属的性质转化，达到调节其非对称传输特性的目的，调节方法简单方便，为光学偏振器的设计提供了一种新的思路。

Description

一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法。

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。通常要改变一个结构的极化转换及对应的非对称传输特性，只能通过改变该结构的几何参数来实现非对称传输特性一定程度上的调节，若要改变模式或者生成一种新的模式往往就需要根据重新设计的结构参数来重新制作新的结构，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双层或者多层结构制备复杂，固定结构的非对称传输特性无法调节的问题，本发明提供了一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法，该结构可以通过控制半圆形孔里填充金属材料的性质来调节非对称传输特性，解决现有技术中存在的在结构成型后非对称传输特性无法改变的问题。后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该结构非对称传输特性的调节，制备和调节方法简单方便，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：

一种金属光学偏振器，包括一基底层和一平面结构；所述平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列连接构成；

所述纳米周期单元为矩形块；所述每个周期单元中包含有一个结构单元；所述结构单元由一矩形孔和一半圆形孔组合构成；

所述半圆形孔的圆弧与所述矩形孔长边相离或相切；所述半圆形孔直径与所述矩形孔长边相平行；

所述每个纳米周期单元由贵金属材料制成；

所述半圆形孔由金属Mg填充至完全。

进一步地，所述矩形孔长边与所述纳米周期单元水平方向具有一夹角；所述夹角为锐角；所述半圆形孔的直径小于所述矩形孔长边的边长。

进一步地，所述矩形孔和所述半圆形孔为一体成型结构。

进一步地，所述半圆形孔填充的金属Mg厚度与所述纳米周期单元厚度相同；所述基底层为玻璃基底。

进一步地，一种光学偏振器的非对称传输特性的调节方法，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，所述半圆形孔填充的金属Mg与氢气发生氢化反应生成MgH₂，也就等同于介质，使得所述光学偏振器的非对称传输特性随之发生变化；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，MgH₂发生氧化脱氢反应，所述半圆形孔填充的金属还原为金属Mg，所述光学偏振器的非对称传输特性还原至初始；

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特性的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明光学偏振器为平面结构，具有平面手性，对不同圆偏振光可以产生不同的极化转换率，结构简单，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，具有很强的推广和应用价值。

2.本发明光学偏振器为平面手性结构，圆偏振光通过该结构可以获得多种偏振态的光，即出射光中有左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他结构如偏振片可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用。

3.本发明光学偏振器半圆形孔填充的金属Mg发生吸氢的作用，通过通入氢气使金属Mg转化为MgH₂，在转化前后该结构产生不同非对称传输特性，适用于不同的需求，产生不同的技术效果。当半圆形孔填充的金属为Mg时，其透射谱图上只产生一个峰宽较宽的模式，当该结构被用于检测信号时，分辨率低但是信号较大，检测信号明显；但当金属转化为MgH₂时，该共振峰劈裂为两个较小的峰，得到半峰宽更窄的AT信号，当该结构被用于检测信号时，有利于提高检测灵敏度，这一技术特征对设计灵敏度更高的器件有一定的指导作用。

4.本发明光学偏振器金属Mg发生吸氢脱氢作用，通过Mg（金属）到MgH₂（介质）的性质转化实现对半圆形孔填充的金属状态的转化，从而实现对本发明光学偏振器非对称传输特性的调节，可以改变透射强度、非对称传输的模式、信号的强度和共振位置，操作简单方便，这一结果不仅对今后设计光学偏振器具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路。

5.本发明光学偏振器中平面手性结构，制备工艺简单快捷，在后期使用时只需要根据实际需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该结构非对称传输特性的动态调节，制备工艺简单、调节方法简单方便，易于操作。

6.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是本发明光学偏振器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平面结构的立体结构示意图；

图3是本发明光学偏振器平面结构周期单元结构示意图；

图4是本发明光学偏振器半圆形孔填充的金属状态转化前后的透射光谱图；

图5是本发明光学偏振器半圆形孔填充的金属镁性质转化前后的非对称传输转化光谱图。

其中，图3中：10、周期单元；11、矩形孔；12、半圆形孔。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种光学偏振器及其非对称传输特性的调节方法，该结构可以通过控制半圆形孔里填充金属材料的状态来调节非对称传输特性，解决现有技术中存在的在结构成型后非对称传输特性无法改变的问题。后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该结构非对称传输特性的调节，制备和调节方法简单方便，易于操作。

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，本实施例一种金属光学偏振器，包括一基底层和一平面结构，平面结构由多个结构相同的纳米周期单元10按矩形周期阵列连接构成。本实施例光学偏振器为平面结构，具有平面手性，对不同圆偏振光可以产生不同的极化转换率，结构简单，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易，具有很强的推广和应用价值。

如图3所示，纳米周期单元10为矩形块，每个周期单元10中包含有一个结构单元，结构单元由一矩形孔11和一半圆形孔12组合构成，半圆形孔12的圆弧与矩形孔11长边相离或相切，半圆形孔12直径与矩形孔11长边相平行，每个纳米周期单元10由贵金属材料制成，半圆形孔12由金属Mg填充至完全。

当LCP和RCP光分别从结构的正面入射时，其入射光和出射光转化的透射率不同，从而产生非对称透射效应，实现光的偏振，产生得到AT信号。尤其当入射光为左旋偏振光、出射光为右旋偏振光时，转化透射率比入射光为右旋偏振光、出射光为左旋偏转光的高。

本实施例光学偏振器为平面手性单层结构，圆偏振光通过该结构可以获得多种偏振态的光，即出射光中有左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他结构如偏振片可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用。

而且，金属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。

如图3所示，矩形孔11长边与纳米周期单元10水平方向具有一夹角a，夹角a为锐角，半圆形孔12的直径小于矩形孔11长边的边长。矩形孔11和半圆形孔12为一体成型结构。半圆形孔12填充的金属Mg厚度与纳米周期单元10厚度相同，基底层为玻璃基底。

实施例2：

基于实施例1的光学偏振器结构，本实施例公开了一种光学偏振器的非对称传输特性的调节方法，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，半圆形孔12填充的金属Mg与氢气发生氢化反应生成MgH₂，也就等同于介质，使得光学偏振器的结构发生改变，其非对称传输特性随之发生变化；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，MgH₂发生氧化脱氢反应，半圆形孔12填充的金属还原为金属Mg，光学偏振器的非对称传输特性还原至初始；

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特性的调节。

光学偏振器结构的制备工艺要求非常严苛，一种结构只能实现其特定的模式，无法在该结构的基础上做适当调整以实现对光学特性的调整，而只能通过重新设定所需结构参数，重新制备该结构来产生新的光学特性的目的。基于实施例1公开的光学偏振器，本实施例公开了一种光学偏振器的非对称传输特性的调节方法：

在氢气体浓度为0.25V%时，随着时间的推移，金属Mg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分钟。将该结构置于3.0V%体积分数的高浓度氢气中，吸氢几乎是瞬间的。我们可以通过氢气浓度来调节金属Mg的转化速度和转化率。

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，氢气逐渐从金属Mg上脱离，MgH₂逐渐转化为金属Mg，还原为初始状态，该结构的非对称传输特性也恢复至之前的状态。

通过偏振器半圆形孔12填充的金属Mg发生吸氢的作用，通入氢气使金属Mg转化为MgH₂，在转化前后该结构产生不同非对称传输特性，适用于不同的需求，产生不同的应用价值。

如图4所示，当半圆形孔填充的金属为Mg时，其透射谱图上只产生一个峰宽较宽的模式，当该结构被用于检测信号时，分辨率低，但其检测信号强，易于检测；当金属转化为MgH₂时，该共振峰劈裂为两个较小的峰，得到半峰宽更窄的AT信号，当该结构被用于检测信号时，有利于提高检测灵敏度，这一技术特征对设计灵敏度更高的器件有一定的指导作用。

本实施例光学偏振器中平面手性结构，制备工艺简单快捷，在后期使用时只需要根据实际需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该结构非对称传输特性的动态调节，制备工艺简单、调节方法简单方便，易于操作。

本实施例光学偏振器金属Mg发生吸氢脱氢作用，通过Mg（金属）到MgH₂（介质）的性质转化实现对半圆形孔12填充的金属状态的转化，从而实现对本实施例光学偏振器非对称传输特性的调节，可以改变透射强度、非对称传输的模式、信号强度和共振位置等，也可以通过氢气浓度来调节金属Mg的转化速度和转化率。操作简单方便，这一结果不仅对今后设计光学偏振器具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路。

实施例3：

本实施例中光学偏振器为平面结构，具有平面手性，对不同圆偏光可以产生不同的极化转换率，在不重新制备的情况下达到调节圆偏振光转化特性的目的。

基于实施例1的光学偏振器结构，在填充金属Mg性质转化前后，通过使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行仿真计算模拟试验。具体设置参数如下：

矩形孔11的长边为 520 nm，短边为 200 nm；半圆形孔12的半径为100 nm；半圆形孔12的圆弧边与矩形孔11长边之间的垂直距离为 5 nm；纳米周期单元10长630 nm×宽630nm×厚80 nm；半圆形孔12填充的金属Mg厚度为80 nm；矩形孔11的长边与纳米周期单元10水平方向夹角α 为 22.5°。

如图4所示，是本实施例光学偏振器金属Mg性质转化前后的极化转化透射光谱图，T-+为RCP入射，接收LCP信号。从图中我们可以清楚的得出：

当半圆形孔12填充金属状态为金属Mg时，其左旋入射透射光谱图有一个共振峰，在λ = 659.2 nm，其透射率T=43%，在可见光波段，可以作为滤光器使用，在一些对光照要求比较严格的条件下，有很好的应用。

当半圆形孔12填充金属状态为MgH₂时，其光谱图的共振峰劈裂为两个峰。半峰宽减小，非对称传输信号检测更加灵敏。并且增加一个非对称传输的信号，共两个信号，分别为：在λ= 659 nm， T = 0.036 % ；λ= 659.6 nm，T = 29.6 % 。在λ= 658.6 nm 处产生了一个新的信号。

如图5所示，是本实施例光学偏振器在填充金属Mg状态变化前后的非对称传输转化光谱图，其中AT为T-+和T+-的差异，T+-为LCP入射，接收RCP信号，T-+为RCP入射，接收LCP信号。从图中我们可以清楚的得出：

当半圆形孔12填充金属状态为金属Mg时，其光谱图中有两个信号，分别：在λ=659.2 nm，AT = -7%；λ= 660.4 nm，AT = -11%。

当半圆形孔12填充金属状态为MgH₂，其转化光谱图中，三个信号分别为：在λ=658.2 nm，AT = 10%；λ= 659 nm，AT = -12.5%；在λ= 660.2 nm，AT = -1%。

在半圆形孔12填充金属状态转化前后其共振峰发生了劈裂，非对称传输模式从两个转化为三个，并且偏振特性转化符号发生了反转，产生了一个正的传输信号。其非对称传输信号的强度也发生了一定的改变。特别的，本实施例光学偏振器非对称传输信号在劈裂之后半峰宽减小，当该器件被用于检测时，有利于提高检测的灵敏度，这在光学偏振器的设计上有很大的应用价值和指导意义。

因此，本实施例光学偏振器，在实施例1的结构上，可以实现对光学偏振器非对称传输特性的调节。本实施例中的光学偏振器填充金属金属Mg发生吸氢脱氢作用，通过Mg金属到MgH₂介质的转化实现对填充金属性质的转化，从而完成对本发明光学偏振器的非对称传输特性的调节，如调节AT强度、改变共振位置及调节非对称传输信号的半峰宽，操作简单方便，这一结果不仅对今后设计光学偏振器具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路。

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 (5)

1.一种金属光学偏振器，包括一基底层和一平面结构；所述平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列连接构成；

所述纳米周期单元为矩形块；所述每个周期单元中包含有一个结构单元；其特征在于：所述结构单元由一矩形孔和一半圆形孔组合构成；

所述半圆形孔的圆弧与所述矩形孔长边相离或相切；所述半圆形孔直径与所述矩形孔长边相平行；

所述每个纳米周期单元由贵金属材料制成；

所述半圆形孔由金属Mg填充至完全。

2.根据权利要求1所述的光学偏振器，其特征在于：所述矩形孔长边与所述纳米周期单元水平方向具有一夹角；所述夹角为锐角；所述半圆形孔的直径小于所述矩形孔长边的边长。

3.根据权利要求2所述的光学偏振器，其特征在于：所述矩形孔和所述半圆形孔分别为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的光学偏振器，其特征在于：所述半圆形孔填充的金属Mg厚度与所述纳米周期单元厚度相同；所述基底层为玻璃基底。

5.根据权利要求1-4中任一一种光学偏振器的非对称传输特性的调节方法，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，所述半圆形孔填充的金属Mg与氢气发生氢化反应生成MgH₂，也就等同于介质，使得所述光学偏振器的非对称传输特性随之发生变化；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，MgH₂发生氧化脱氢反应，所述半圆形孔填充的金属还原为金属Mg，所述光学偏振器的非对称传输特性还原至初始；

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特性的调节。

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