CN108594446A - 一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器 - Google Patents

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陈悦悦
杨玉洁
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Abstract

本发明公开了一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器，属于光学器件技术领域。该分光器由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，所述金属矩形块阵列，为由若干个n×n周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；所述n×n周期微纳阵列结构的周期尺寸A固定，矩形块长度L依次变化，由n个矩形块在x方向上构成2π相位梯度单元，同时矩形块长度W也依次变化，由n个矩形块在y方向上构成2π相位梯度单元。本发明在矩形块的长宽方向同时设置相位梯度实现分光，分光器增强了金属表面等离子谐振，从而提高了谐振波长处的反射率，进而提升了分光器的效率；可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。

Description

一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器
背景技术
微纳结构光学技术是研究光与纳米结构之间相互作用的学科。当纳米结构尺寸小于光波长的情况下，物质表现出许多自然材料不具有的新颖光学特性。传统几何光学用相同电介质系数(或者折射率系数)材料的几何尺寸不同，造成光路方向的相位差，以此实现分光、聚光等功能；而微纳结构光学提供了不同的思路，宏观上的几何尺寸相同，而沿着垂直于光路方向由微纳结构引入电介质系数梯度(或者折射率系数梯度)，由此造成光路方向的相位差。本发明将微纳结构与光的幅度、相位、偏振操控问题相结合，提出了一种基于微纳结构反射进行偏振分光的方法。
对于偏振分光器，传统的分光方法为在一个直角棱镜的斜面镀多层干涉膜，光线以布鲁斯特角入射经过多层膜结构以后，入射光的一部分光折射，而s偏振分量在棱镜上反射从另一个方向出射，以此完成偏振分光。此传统方法存在着一些缺陷，单层光学薄膜效率较低需添加多层薄膜以满足分光需求；传统偏振分光器，光学器件的几何尺寸控制非常严格，且光学器件体积大，机械加工性不好；光线需以布鲁斯特角入射，两束光出射时相互垂直，对偏振分光器的应用造成一定的限制，无法完成任意出射角度的偏振分光。本发明与传统偏振分光器相比，结构简单，器件厚度尺寸在光波长数量级，两束偏振光出射角可控，同时可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。
发明内容
本发明提出了一种利用微纳结构阵列进行偏振分光的全新分光方式
根据Huygens理论，微纳结构阵列中的粒子单元在入射光作用下成为发射子波的波源。设计粒子单元的结构尺寸控制粒子单元中的电磁谐振，同时调制反射相位，可实现对传输波面的控制，进而影响反射光。设计2π相位梯度单元，精确控制微纳结构阵列中各个金属(Au)矩形块的x方向的长度尺寸，可对实现x方向偏振光出射角度的操控，同样，设计金属(Au)矩形块y方向的宽度尺寸，可实现对y方向偏振光出射角度的操控。
设计思想来源于广义Snell反射定律，dφ/dx为定值时有：
可得到反射角θr与入射角θi、入射光波长λ0、介质折射率ni以及相位梯度dφ/dx的关系。可见，对于给定的入射光波长和入射角，在非连续界面的一个方向上引进一个合适的相位梯度dφ/dx，反射光线将沿该方向发生偏转，若在x和y方向分别设置相位梯度，则可实现x方向偏振光和y方向偏振光的分离。因此，本发明提出在金属的长(x)和宽(y)方向各自设置相位梯度dφ/dx来实现偏振分光的方法。
基于上述原理，本发明采用如下技术方案：
一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器为典型的金属-电介质-金属三层结构，分别由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，其结构包括：
定义金属矩形块的长宽方向分别为x、y向；
所述金属矩形块阵列，为由若干个n×n周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；
所述n×n周期微纳阵列结构，包括n×n个呈方阵排布的金属矩形块，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块长度L依次变化，由n个矩形块在x方向上构成2π相位梯度单元，同时矩形块长度W也依次变化，由n个矩形块在y方向上构成2π相位梯度单元，以此构成n×n周期微纳阵列结构。
本发明的有益效果在于：
利用微纳结构阵列的反射现象进行偏振分光是一种全新的分光方式，本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器在矩形块的长宽方向同时设置相位梯度实现分光，区别于传统的棱镜偏振分光，首次提出了平面式的偏振分光器，具有更广阔的应用范围，在光纤通信等应用环境下具有巨大的发展潜力；传统的棱镜偏振分光需以布鲁斯特角入射，两束偏振光只能垂直出射，而本发明通过设置微纳阵列相位梯度来实现对反射光的调控，出射角灵活可控；本发明的金属阵列采用矩形结构，比之利用H型、V型、圆形、椭圆形等微纳结构阵列进行聚光、偏光功能的研究，可形成更大的相位梯度以造成更大的相位改变，进而拓宽了偏振光反射出射角的可控范围；本发明采用金属-电介质-金属三层结构，有效增强了金属表面等离子谐振，从而提高了谐振波长处的反射率，进而提升了分光器的效率；本发明较与传统的偏振分光器，结构简单，具有超薄厚度，可通过对每个阵列单元内金属矩形块的尺寸控制，实现对两束偏振光精确的控制；分光器厚度尺寸在光波长数量级，可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。
附图说明
附图中本发明分光效果的远场图为了增强颜色区分度，采用黑-白-黑的颜色过渡方式，远场图中背景的大片黑色代表区域内没有光强能量，而在能量汇聚的最中心区域，为增强视觉上的区分度，颜色从白过渡到浅黑色，此时代表能量的大量聚集(而非没有光强能量存在)。
图1为传统的半反半透式分光棱镜分光示意图(图1左)与一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器的分光示意图(图1右)，可见本发明是一种平面式分光器；
图2为本发明平面偏振分光器金属矩形块的俯视图和侧视图；
图3为本发明平面偏振分光器n×n微纳阵列单元的俯视图和侧视图；
图4为本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器的俯视图；
图5为FDTD仿真结果，对应本发明的实施例，展示了本发明微纳结构阵列中不同金属(Au)矩形块长度(图a)和电介质(Al2O3)厚度(图b)对反射光强度和相位的影响；
图6以图5的FDTD仿真结果为依据，对应本发明的实施例，展示了根据相位曲线的不同的相位点选取的对应尺寸的过程；
图7为实施例的FDTD仿真结果，其中图7(a)对应x方向偏振光，其中图7(a)上图为反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波矢，图7(a)下图为反射相位梯度曲线，图中圆点为每个结构单元的反射相位；图7(b)对应y方向偏振光，其中图7(b)上图为反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波矢，图7(b)下图为反射相位梯度曲线，图中圆点为每个结构单元的反射相位；
图8为实施例的FDTD仿真的结果，其中图8(a)为x方向偏振光的远场图，图8(b)为y方向偏振光的远场图；
图9为实施例的FDTD仿真结果，是入射光与两束偏振光的光强度图，其中曲线(a)为入射光，曲线(b)为x方向偏振光，曲线(c)为y方向偏振光。
具体实施例：
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例：
本实施例展示了本发明的偏振分光功能。
如图2所示，基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属(Au)矩形块阵列、电介质(Al2O3)中间层、金属(Au)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义金属(Au)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD仿真中入射光波长为5μm，垂直入射，仿真分两次进行，入射光偏振方向分别沿x向和y向；
所述金属矩形块阵列，由6×6周期微纳阵列结构分别在x和y向重复若干次形成的大阵列；
所述6×6周期微纳阵列结构，如图3所示，包括36个呈6×6排布的金属矩形块，作为优选，矩形块的周期尺寸A固定，在x方向，长度L依次变化构成2π相位梯度单元，在在y方向，宽度W依次变化同样构成2π相位梯度单元；
作为优选，矩形块的周期尺寸A＝2μm，则相位梯度单元的梯度值为dφ/dx＝2π/12；
作为优选，上层和基底金属(Au)厚度t＝0.1μm，从图5(a)的FDTD仿真结果可见电介质(Al2O3)中间层的厚度对反射光幅值影响较大，为保持高反射率，作为优选，选择电介质(Al2O3)中间层的厚度为0.3μm；
图5(b)可见金属(Au)矩形块长度(或宽度)尺寸对反射光的影响，x方向上，在0.2-1.8μm范围内选取相位间隔60°的6个尺寸点以构成2π相位梯度单元，以图6的尺寸为例，同样，y方向上在0.2-1.8μm范围内选取相位间隔60°的6个尺寸点以构成2π相位梯度单元，尺寸同样以图6结果为例；
工作过程效果：
图7(a)上图为x方向偏振光的反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波失，可见微纳阵列改变了反射光波矢的方向，使其在xz平面出射，图7(a)下图可见微纳阵列在x方向上实现了0-360°的相位梯度改变，图7(b)上图为y方向偏振光的反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波失，可见微纳阵列改变了反射光波矢的方向，使其在yz平面出射，图7(b)下图可见微纳阵列在y方向上实现了0-360°的相位梯度改变；
图8为FDTD仿真结果，展示了x方向偏振光反射光和y方向偏振光反射光的远场图，光线垂直入射后经微纳结构阵列反射，从图8(a)可见x方向偏振光的反射光出射角在xz平面上实现了约为25°的偏折，从图8(b)可见y方向偏振光的反射光出射角在yz平面上实现了约为-25°的偏折。
根据广义反射定律计算理论反射角：
当光源垂直入射，入射介质为空气时有：θi＝0，ni＝1，dφ/dx＝2π/12，λ＝5μm，计算可得反射角θt＝24.6°，与仿真结果一致，证实本发明反射式平面偏振分光器对反射角的操控角度的大小符合广义反射定律的理论计算结果。
图9为入射光与两束反射光的远场强度图，图8、图9从角度和强度两方面展示了本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器的偏振分光效果。

Claims (2)

1.一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器，其特征在于，为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，其结构包括：
定义金属矩形块的长宽方向分别为x、y向；
所述金属矩形块阵列，为由若干个n×n周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；
所述n×n周期微纳阵列结构，包括n×n个呈方阵排布的金属矩形块，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块长度L依次变化，由n个矩形块在x方向上构成2π相位梯度单元，同时矩形块长度W也依次变化，由n个矩形块在y方向上构成2π相位梯度单元，以此构成n×n周期微纳阵列结构。
2.一种如权利要求1所述的基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器，其特征在于，所述金属-电介质-金属三层结构具体为Au-Al2O3-Au三层结构。
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