CN108803088A - 基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，包括上层的纳米二聚体阵列和下层的衬底，衬底平面为xy轴平面，x轴垂直于y轴，两个结构材质完全相同的半导体圆柱体纳米结构间隔固定距离排列构成纳米二聚体，纳米二聚体中两个圆柱体中心连线方向为二聚体轴方向，即x轴方向；衬底平面上的纳米二聚体阵列为沿x轴、y轴周期排列的纳米二聚体阵列。可以仅仅改变入射光的偏振态，就能简单地实现超表面在高透射率和高反射率之间相互转换的目的，并且没有明显的能量损耗，在可见光和近红外波段也适用。装置简单，操作简便，应用范围广。

Description

基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器

技术领域

本发明涉及一种透反射转换器，特别涉及一种基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器。

背景技术

超表面是近一两年人工电磁超材料研究的最新发展方向和研究热点之一，它可实现对电磁波反射和透射的灵活调控。超表面是一种由亚波长光学纳米结构单元组成的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。2011年通过超表面实现反常电磁波透射和反射，从而拓展传统电磁波折射定律的工作在美国《科学》杂志发表后即引起了广泛的关注，通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。传统的调控的方法包括光栅调控、二色晶体调控、以及通过双折射效应等调控。随着电磁超表面研究的进一步深入，利用电磁超表面的亚波长结构很好地解决了传统调控方法中器件体积大、损耗高以及不便于集成问题。

超表面调控电磁波的应用仍存在局限性。当使用由贵金属制成的等离子体纳米粒子时，欧姆损耗和因此产生的热量是不可避免的，特别是在可见和近红外（NIR）波段，这阻碍了等离子体超表面在实际中的应用。而由具备高折射率属性的介电纳米材料组成的超表面可以通过激励三重共振展现出强烈的散射和近场增强而没有明显的能量损耗，并且磁共振也能很容易的和电共振一起产生。

发明内容

本发明是针对针对目前缺乏高效率透反射一体式转换器装置的问题，提出一种基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器。由介电纳米二聚体组成的超表面，当光照射在超表面上时，二聚体内的电偶极子和磁偶极子被入射光激发，其杂化模式受入射光偏振态的控制，从而超表面表现出不同的光学响应。通过改变入射光的偏振态，使得二聚体中激发的电偶极子和磁偶极子的光谱重叠或分离，从而改变介电纳米二聚体超表面的有效介电常数和磁导率，最终实现该超表面在高透射率和高反射率之间相互转换的目的。

本发明的技术方案为：一种基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，包括上层的纳米二聚体阵列和下层的衬底，衬底平面为xy轴平面，x轴垂直于y轴，两个结构材质完全相同的半导体圆柱体纳米结构间隔固定距离排列构成纳米二聚体，纳米二聚体中两个圆柱体中心连线方向为二聚体轴方向，即x轴方向；衬底平面上的纳米二聚体阵列为沿x轴、y轴周期排列的纳米二聚体阵列。

所述整个纳米二聚体阵列的y轴方向长度与x轴方向长度比小于1。

所述纳米二聚体阵列分别沿x轴、y轴以固定周期排列，周期的设置满足纳米谐振器密度的要求。

本发明的有益效果在于：本发明是基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，可以仅仅改变入射光的偏振态，就能简单地实现超表面在高透射率和高反射率之间相互转换的目的，并且没有明显的能量损耗，在可见光和近红外波段也适用。装置简单，操作简便，应用范围广。

附图说明

图1为本发明基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器三维结构示意图；

图2为本发明基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器二维平面示意图。

具体实施方式

如图1所示基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器结构示意图，包括上层的纳米二聚体（如Si、GaAs和GaP）阵列1和下层的衬底（蓝宝石）2，衬底平面为xy轴平面，x轴垂直于y轴，两个结构材质完全相同的半导体圆柱体纳米结构间隔固定距离排列构成纳米二聚体，纳米二聚体中两个圆柱体连线方向为二聚体轴方向，即x轴方向；衬底平面上的纳米二聚体阵列1为沿x轴、y轴周期排列的纳米二聚体阵列。本结构以蓝宝石衬底上的Si纳米二聚体为例，以单个结构为直径600 nm，高度300 nm的Si盘所组成的分离距离为20nm的纳米二聚体作为超表面的结构单元，整个Si纳米二聚体阵列的纵（y轴方向）横（x轴方向）比小于1。

图1中k表示入射光传播方向，E表示入射光偏振方向，x轴为二聚体轴方向，y轴为垂直于二聚体轴方向。在电介质二聚体中, 电偶极子和磁偶极子在光照下受到激发。当入射光偏振方向沿着（x轴）二聚体轴时（TM方向偏振），入射光会沿着二聚体轴方向激发电偶极子，引起键合电偶极子相互作用，这种相互作用会降低电偶极子的能量，使其共振波长红移。同时，每个粒子中的磁偶极子被激发但振动方向垂直于二聚体轴，粒子中偶极子间的排斥力增加了磁模式的能级，从而导致其共振波长蓝移。相反的，当入射光偏振方向垂直于（y轴）二聚体轴时（TE方向偏振），入射光会沿着二聚体轴激发磁偶极子，形成键合模式，使其共振波长红移，而电偶极子被激发但振动方向垂直于二聚体轴，使其共振波长蓝移。从而介电二聚体的光学响应和杂化模式被改变，使得电偶极子和磁偶极子的光谱重叠或分离，而电磁杂化模式又影响着可调介电超表面的有效介电常数和磁导率，最终实现该超表面的表现在高透射率或高反射率的之间相互转换的目的。

在下面的实施例子中以在蓝宝石衬底上利用电子子束光刻和反应离子刻蚀制造了Si纳米二元阵列为例，其他介电二聚体阵列与衬底与该实施方法一致。

在蓝宝石衬底上利用电子子束光刻和反应离子刻蚀制造了Si纳米二元阵列，单个Si纳米盘的直径为600 nm，高度为300 nm，整个Si纳米二聚体阵列的纵横比低于1，使得电磁偶极子在TM偏振入射光的激发下在更近的波长处被激发，并且可以避免在TE偏振入射光的激发下会降低超表面反射率的过大的光谱分离。阵列沿着（x轴）和垂直于（y轴）二聚体轴的周期分别设置为1500 nm和850 nm，以满足纳米谐振器密度的要求，从而避免强烈的衍射效应。利用FDTD方法和FTIR光谱技术，可研究硅二聚体超表面的透射和反射。在FDTD模拟结果中，当入射光从TM偏振变为TE偏振，超表面在1680 nm处从99%透射率变为95%的反射率。在实验结果中，当入射光从TM偏振变为TE偏振时，超表面在1720 nm处从86%透射率变为77%的反射率。从而实现基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器。装置简单，损耗小，易于集成，应用范围广。

Claims (3)

1.一种基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，其特征在于，包括上层的纳米二聚体阵列和下层的衬底，衬底平面为xy轴平面，x轴垂直于y轴，两个结构材质完全相同的半导体圆柱体纳米结构间隔固定距离排列构成纳米二聚体，纳米二聚体中两个圆柱体中心连线方向为二聚体轴方向，即x轴方向；衬底平面上的纳米二聚体阵列为沿x轴、y轴周期排列的纳米二聚体阵列。

2.根据权利要求1所述基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，其特征在于，所述整个纳米二聚体阵列的y轴方向长度与x轴方向长度比小于1。

3.根据权利要求1或2所述基于超表面的光偏振控制的透反射一体式转换器，其特征在于，所述纳米二聚体阵列分别沿x轴、y轴以固定周期排列，周期的设置满足纳米谐振器密度的要求。