CN108594350A - 一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及使用方法 - 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使用方法，该偏振器由多个结构相同的周期单元平面拼接而成，每个周期单元中包含有一个“S”形结构单元，第一组成块由金属镁制成，第二组成块、第三组成块、第二横体、第三横体、第一竖体、第二竖体均由贵金属材料制成，或第五组成块由金属镁制成，第一横体、第四组成块、第六组成块、第二横体、第三横体、第二竖体均由贵金属材料制成。本发明可动态调节的光学偏振器结构可以通过镁金属吸氢脱氢从完全金属化到完全介质化的转化，改变该结构对称性，从而达到调节调节光学偏振器的非对称传输特性的作用，操作简单方便，为光学偏振器的设计提供了一种新的思路。

Description

一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及使用方法

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会随之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即非对称传输信号的正负几乎没有影响。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调节，若要改变模式或者生成一种新的模式就需要重新制作新的结构，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使用方法，该结构可以通过控制x和y方向的对称性程度来调节非对称传输模式的大小和位置，而且可以产生新的模式。该新模式也可以通过x和y方向的对称性程度来调节，此外，x和y方向对称性程度可以调节该模式非对称传输信号的符号，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对称性程度的调节，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信号的光学偏振器由多个结构相同的周期单元平面拼接而成；

所述每个周期单元中包含有一个“S”形结构单元；所述每个结构单元包括第一横体、第二横体、第三横体、第一竖体和第二竖体；

所述第一横体由第一组成块、第二组成块和第三组成块构成；所述第一竖体由第四组成块、第五组成块和第六组成块构成；

所述第一组成块由金属镁制成，所述第二组成块、所述第三组成块、所述第二横体、所述第三横体、所述第一竖体、所述第二竖体均由贵金属材料制成；

或所述第五组成块由金属镁制成，所述第一横体、所述第四组成块、所述第六组成块、所述第二横体、所述第三横体、所述第二竖体均由贵金属材料制成。

进一步的，所述第一横体、第二横体和第三横体平行排列；所述第二横体位于第一横体和第三横体之间；所述第一竖体和第二竖体互相平行且与所述第一横体垂直；

所述第一竖体一端与所述第一横体右端连接，另一端与所述第二横体右端连接；

所述第二竖体一端与所述第二横体左端连接，另一端与所述第三横体左端连接。

进一步的，所述第一横体的长度不大于所述第二横体的长度；所述第三横体长度不大于所述第二横体的长度。

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，所述第一组成块或所述第五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，所述光学偏振器的对称性发生改变，其非对称传输特性也随着发生变化；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，所述第一组成块或所述第五组成块还原为金属镁，所述光学偏振器的对称性还原至初始；

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信号的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

1.本发明光学偏振器为“S”形平面结构，可以产生平面手性，对不同圆偏光产生不同的极化转换率，且相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易。

2.本发明光学偏振器可以实现对“S”形平面结构对称性的动态调节，金属镁通过吸氢脱氢作用，通过镁（金属）到氢化镁（介质）的转化实现对该结构对称性的调节，操作简单方便，为光学偏振器的研究提供了一种新的思路。

3.本发明光学偏振器可以调节偏振光极化转换的相对大小，通过控制x和y方向的对称性程度来调节非对称传输模式的大小和位置，并可以产生新的模式。

4.本发明光学偏振器产生的新模式可以通过x和y方向的对称性程度来调节，并且可以通过调节x和y方向的对称性程度影响圆偏光的极化转化特性从而调节该模式非对称传输信号的符号，使得偏振特性转化符号发生反转。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研究提供了一种新的研究方向和思路。

5. 本发明光学偏振器中“S”形平面结构可一体成型，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对称性程度的调节，制备工艺和使用方法简单方便，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示意图；

图3是本发明光学偏振器结构立体示意图；

图4是本发明光学偏振器结构x和y方向均对称时的非对称传输转化光谱图；

图5是本发明光学偏振器结构x和y方向不对称时的非对称传输转化光谱图；

图6是本发明光学偏振器结构改变x方向的不对称性程度时非对称传输转化光谱图；

图7是本发明光学偏振器结构改变y方向的不对称性程度时非对称传输转化光谱图；.

图8是第一组块由金属镁制成时，转化前后的非对称传输转化光谱图；

图9是第五组块由金属镁制成时，转化前后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由多个结构相同的周期单元平面拼接而成，每个周期单元中包含有一个“S”形结构单元，每个结构单元包括第一横体1、第二横体2、第三横体3、第一竖体4和第二竖体5，第一横体1由第一组成块11、第二组成块12和第三组成块13构成，第一竖体4由第四组成块41、第五组成块42和第六组成块43构成。本实施例中的光学偏振器，为平面结构，相对于双层和多层手性结构的制备都比较容易。

第一组成块11由金属镁制成，第二组成块12、第三组成块13、第二横体2、第三横体3、第一竖体4、第二竖体5均由贵金属材料制成。或第五组成块42由金属镁制成，第一横体1、第四组成块41、第六组成块43、第二横体2、第三横体3、第二竖体5均由贵金属材料制成。

本实施例中的光学偏振器可以实现对“S”形平面结构对称性的动态调节，金属镁通过吸氢脱氢作用，通过镁（金属）到氢化镁（介质）的转化实现对该结构对称性的调节，操作简单方便，为光学偏振器的研究提供了一种新的思路。

第一横体1、第二横体2和第三横体3平行排列，第二横体2位于第一横体和第三横体3之间，第一竖体4和第二竖体5互相平行且与第一横体1垂直，第一竖体4一端与第一横体1右端连接，另一端与第二横体2右端连接，第二竖体5一端与第二横体2左端连接，另一端与第三横体3左端连接。

第一横体1的长度不大于第二横体2的长度，第三横体3长度不大于第二横体2的长度。

每个结构单元中横体和竖体为一体成型结构，实现本发明可动态调节非对称传输信号的光学偏振器的材料可以为任何非镁贵金属，本发明优选为金。本实施例的光学偏振器结构的立体结构图如图3所示，当LCP和RCP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。

本发明光学偏振器为S形金属结构，具有平面手性，可以对不同圆偏光产生不同的极化转换率，可以通过改变该结构在x和y方向的对称性程度，达到调节原有非对称传输模式的大小和位置的目的，还可以产生一种新的模式。

产生的新模式可以通过x和y方向的对称性程度来调节，并且可以通过调节x和y方向的对称性程度影响圆偏光的极化转化特性从而调节该模式非对称传输信号的符号，使得偏振特性转化符号发生反转。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的研究提供了一种新的研究方向和思路。

本实施例中，上述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或第五组成块42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，光学偏振器的对称性发生改变，其非对称传输特性也随着发生变化，

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，第一组成块11或第五组成块42还原为金属镁，光学偏振器的对称性还原至初始，

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信号的调节。

实施例2：

基于实施例1所述的光学偏振器“S”形平面结构，通过使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。

如图4所示，为本发明光学偏振器结构x和y方向均对称时的非对称传输转化光谱图，设定结构的参数l ₁ = l ₂ = 250 nm，d ₁ = d ₂ = 200 nm，h = 60 nm，w = 60 nm，L = 500nm， 整个结构的周期为Px = Py = 600 nm。

其模拟结果如图4所示的转化光谱图，其中T+-为LCP入射，接收RCP信号， T-+为RCP入射，接收LCP信号。从图中可以看到模式I，在λ= 720 nm 处，T-+与T+-有明显的差异，产生了较大的AT。

本实施例的结构制备时，用图形发生器按照上述结构设定后，用电子束曝光结构图形，其余步骤与实施例1中的制备方法相同。

实施例3：

本实施例的光学偏振器结构x和y方向不对称，通过使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。

如图5所示，为本实施例光学偏振器结构x和y方向均不对称时的非对称传输转化光谱图，设定结构的参数l ₁ = 290 nm，l ₂ = 250 nm，d ₁ = d₂ = 200 nm，h = 60 nm，w = 60nm，L = 500 nm， 整个结构的周期为Px = Py = 600 nm。

其转化光谱图如图5所示，T+-为LCP入射，接收RCP信号， T-+为RCP入射，接收LCP信号。除了模式I发生了红移外，在模式I的右侧出现了一个新的模式Ⅱ，在λ= 1640 nm 处，T-+ 的谱线出现了一个峰，而T+-则表现出一个谷。即当改变“S”形结构在x方向的对称性时，相比较对称的“S”形结构除了本身的模式I外出现了两个新模式Ⅱ和Ⅲ，其中模式Ⅱ是由于极化转化光谱产生的两个大小不同的转化谷之间的差异引起的，即T+- > T-+，而模式Ⅲ对应的极化转化光谱则是一个是峰一个是谷,即T-+ > T+-，T+- - T-+ < 0。

实施例4：

在本实施例中，光学偏振器结构继续改变l ₁ 长度，使“S”形结构在x方向上变得更加不对称时，然后观察其AT谱图，如图6所示，其AT谱线发生规律性的变化。其他参数如实施例3中的参数固定不变，l ₂ = 250 nm，d ₁ = d₂ = 200 nm，h = 60 nm，w = 60 nm，L = 500 nm，整个结构的周期为Px = Py = 600 nm，当l ₁ 从170 nm逐渐变为350nm，模式I也逐渐增大并且发生了红移，这是因为随着棒l ₁ 的增长，电子的共振路径变长，光谱红移。

模式Ⅱ随着l ₁ 的增长，也发生了红移，但其强度随着l ₁ = 170 nm变为 l ₁ =250 nm时逐渐减小，当l ₁ = 250 nm时，模式Ⅱ消失，而当l ₁ = 250 nm逐渐变到 l ₁ =350 nm时，其强度又随之增加。模式Ⅱ的强度随着l ₁ 变化的规律与结构在x方向上的不对称性的程度成正比，即随着l ₁ = 170 nm变为 l ₁ =350 nm，结构在x方向的不对称性程度也从大变小直至对称后再逐渐增大。同样地，对于模式Ⅲ来说，随着l ₁ 的增大在逐渐红移，其强度由l ₁ = 170 nm到l ₁ =250 nm 时逐渐减小，当l ₁ = 250 nm时，模式Ⅲ消失；而当l ₁ = 250 nm逐渐变到 l ₁ =350nm时，其强度又随之增加，这一过程也是整个结构在x方向的不对称性程度也从大变小直至对称后再逐渐增大。

随着l ₁ 不断改变，改变了该结构在x方向上的对称性，本发明中的光学偏振器的非对称传输效应也随着发生了变化。

实施例5：

如图7所示，当改变对称型S结构在y方向上的不对称性时同样产生了新的模式，保持d ₁ =l ₂ = 250 nm，d ₂ = 200 nm不变，改变d ₁ 的大小，即改变y方向上结构的不对称性，同样，出现了新的模式Ⅱ′与Ⅲ′。从图7转化光谱图中可以看到，当改变结构在y方向上的不对称性时，模式Ⅱ′与模式Ⅲ′与图6中Ⅱ与Ⅲ不同的是其表现为峰的形式。

同样地，随着d ₁ 由160 nm增加到200 nm时，模式Ⅱ′与Ⅲ′的强度都逐渐减小，直到d ₁ = d ₂ = 200 nm时，模式Ⅱ′和 Ⅲ′消失。当d ₁ 继续增大时，两个模式的强度又随之增加。整个变化过程中整个结构在y方向上不对称性程度的变化，模式Ⅱ′与模式Ⅲ′的强度也随着结构的不对称性程度变化而变化。对于模式Ⅱ′其随着d ₁ 的增大发成了红移，但模式Ⅲ′随着d ₁ 的增大并没有发生明显的移动。

随着d ₁ 不断改变，改变了该结构在y方向上的对称性，本发明中的光学偏振器的非对称传输效应也随着发生了变化。

实施例6：

在改变“S”形结构的两参数l ₁ 和d ₁ 时，即改变了“S”形结构在x方向及y方向上的不对称性。当结构在x、y两个方向上都对称时，只有一个有结构自身手性引起的非对称传输模式I。当“S”形结构在x方向的对称性发生变化时，即改变其中一个臂长l ₁ 时，除了对原先的模式I具有调控作用外，还会产生两个个新的非对称传输模式Ⅱ和模式Ⅲ，他们的强度与在x方向上得不对称性的程度成正比，位置与l ₁ 的长度成正比。对改变“S”形结构y轴方向的对称性时，同样对原先的模式I有调控作用，并且也出现了两个新的模式Ⅱ′和模式Ⅲ′，但与改变“S”形结构在x方向的对称性不同的是，他们在光谱上表现的形式由谷的形式转变为峰的形式。特别地，模式Ⅲ与模式Ⅲ′的转化光谱发生了翻转，其偏振特性转化符号发生反转。同样地，新出现的模式Ⅱ′与模式Ⅲ′的强度与“S”形结构在y方向的不对称性成正比。

实施例7：

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不同模式的转化和调整，而只能通过重新设定所需结构参数，重新制备该结构来达到我们的目的。如实施例1中所述的可动态调节的光学偏振器，在本实施例中，提供了一种可动态调节的光学偏振器可以通过吸氢和脱氢作用来改变该结构在x和y方向的长度，在不重新制备的情况下改变该结构对称性，达到改变圆偏振光转化特性的目的。本实施例中，在吸氢和脱氢反应完成后，在400~2200nm波段测试其非对称传输信号。

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。

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分钟。将“S”形结构结构置于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镁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，是第一组块11由金属镁制成，其余组块均由贵金属制成时，转化前后的非对称传输转化光谱图，从图中我们可以看出，当第一组成块11完全介质化时（MgH₂），其转化光谱图中，有两个较大的AT信号，分别为：在λ= 660nm，AT = 6.0%；λ= 1420nm，AT = -12.0%。其符号相反；当第一组成块11发生脱氢作用完全金属化之后（Mg），其转化光谱图中，只有一个较大的AT信号：在λ= 720nm，AT = 8.0%。

当第一组成块11中介质化后，其AT信号发生了红移，并产生了一个新的模式，在λ=1420 nm，AT = -12.0%。

通过氢气的脱氢吸氢作用调节该结构第一横体1的有效长度l ₁ ，从而改变该结构在x方向上的对称性，影响圆偏光的极化转化特性从而调节该模式非对称传输信号的符号，使得偏振特性转化符号发生反转。

实施例8：

根据实施例7的实验检测方法，测得第五组块42由金属镁制成，其余组块均由贵金属制成时，转化前后的非对称传输转化光谱图，如图9所示，从图中我们可以看出，当第五组块42完全介质化时（MgH₂），其转化光谱图中，有三个较大的AT信号：λ= 640nm，AT = -4.0%；λ=710nm ，AT =13%；λ= 820nm ，AT =17%。当第五组块42发生脱氢作用完全金属化之后（Mg），其转化光谱图中，只有一个AT信号：λ= 710nm ，AT =10%。

通过氢气的脱氢吸氢作用调节该结构第一竖体1的有效长度d ₂ ，从而改变该结构在y方向上的对称性，影响圆偏光的极化转化特性从而调节该模式非对称传输信号的符号，使得偏振特性转化符号发生反转。

因此，本发明的可动态调节非对称传输信号的光学偏振器，在实施例1的结构上，可以实现对光学偏振器非对称传输的动态调节。本发明光学偏振器产生的新模式可以通过x和y方向的对称性程度来调节，并且可以通过调节x和y方向的对称性程度影响圆偏光的极化转化特性从而调节该模式非对称传输信号的符号，使得偏振特性转化符号发生反转。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的研究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 (4)

1.一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器由多个结构相同的周期单元平面拼接而成；

所述每个周期单元中包含有一个“S”形结构单元；所述每个结构单元包括第一横体（1）、第二横体（2）、第三横体（3）、第一竖体（4）和第二竖体（5）；

所述第一横体（1）由第一组成块（11）、第二组成块（12）和第三组成块（13）构成；所述第一竖体（4）由第四组成块（41）、第五组成块（42）和第六组成块（43）构成；

其特征在于：所述第一组成块（11）由金属镁制成，所述第二组成块（12）、所述第三组成块（13）、所述第二横体（2）、所述第三横体（3）、所述第一竖体（4）、所述第二竖体（5）均由贵金属材料制成；

或所述第五组成块（42）由金属镁制成，所述第一横体（1）、所述第四组成块（41）、所述第六组成块（43）、所述第二横体（2）、所述第三横体（3）、所述第二竖体（5）均由贵金属材料制成。

2.根据权利要求1所述的光学偏振器，其特征在于：所述第一横体（1）、第二横体（2）和第三横体（3）平行排列；所述第二横体（2）位于第一横体和第三横体（3）之间；所述第一竖体（4）和第二竖体（5）互相平行且与所述第一横体（1）垂直；

所述第一竖体（4）一端与所述第一横体（1）右端连接，另一端与所述第二横体（2）右端连接；

所述第二竖体（5）一端与所述第二横体（2）左端连接，另一端与所述第三横体（3）左端连接。

3.根据权利要求2所述的光学偏振器，其特征在于：所述第一横体（1）的长度不大于所述第二横体（2）的长度；所述第三横体（3）长度不大于所述第二横体（2）的长度。

4.由权利要求1-3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）或所述第五组成块（42）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，所述光学偏振器的对称性发生改变，其非对称传输特性也随着发生变化；

步骤2，在室温下，将氢化后的光学偏振器置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，所述第一组成块（11）或所述第五组成块（42）还原为金属镁，所述光学偏振器的对称性还原至初始；

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信号的调节。