CN110456440A - 一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器 - Google Patents

一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器 Download PDF

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孔园园
颜文超
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Abstract

本公开公开了一种金属‑介质‑金属三层线栅结构的红外偏振器，从下至上分别由透明基底，金属线栅层、介质线栅层和金属线栅层构成。基底为中波红外波段透明材料蓝宝石，介质线栅层折射率在1.3‑4.0之间，金属线栅和介质线栅的周期和占空比完全相同，周期在300‑600nm之间，占空比在0.4‑0.7之间。在中波红外波段，当入射光与金属‑介质‑金属三层线栅结构偏振器的阻抗相匹配时，入射光与线栅耦合激发磁局域共振，TM波透过率出现峰值，同时TE波的透射率明显的降低，线栅的消光比上升，偏振特性得到提高。亚波长金属线栅偏振器具有设计灵活、结构紧凑、易于集成、较宽的光谱和视场范围等优点，在微纳器件、集成光学等方面具有很大的应用前景。

Description

一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器
技术领域
本公开涉及一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
金属线栅偏振器属于亚波长二元光学元件，其偏振性能是由于金属线栅偏振器结构的不对称性引起的。对于金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，在金属层与介质层之间存在磁局域共振效应，强大的磁场能量被局域在该区域，从而使该结构的透射特性发生改变，通过改变金属-介质-金属线栅的结构参数可达到对结构透射光谱的调控。目前利用磁局域共振效应来实现对偏振的调控还有很大的研究空间，设计和制备宽光谱、可调控的、高TM波透射率和高消光比的线栅偏振器一直是人们的追求目标。
2009年，Shan Wu等模拟并验证了金属-介质多层膜结构中的电磁共振效应对该结构的透过率起到了促进作用，而且通过改变多层膜的结构参数可实现对连续波形的调控。见Han Wu,Guodong Wang,Qianjin Wang.et al.Novel optical transmission propertyof metal–dielectric multilayered structure.2009,Journal of Physics D:AppliedPhysics.42,225406,1-5。
2010年，周林等研究了金属-介质多层线栅结构中存在的超透射效应，并分析了磁局域共振效应和表面等离子超透射效应对该微纳结构透射特性的影响规律。见Lin Zhou,Cheng-ping Huang,Shan Wu,et al.Enhanced optical transmission through metal-dielectric multilayer gratings.2010,Applied Physics Letters.97,011905-1—011905-3。
2014年，Xuan Yimin等采用严格耦合波法和LC电路法分析了在太赫兹波段，Ag-SiO2-Ag(MIM)结构中存在的表面等离子效应和磁共振效应的物理机制。见Yinmin Xuan,Yutao Zhang.Investigation on the physical mechanism of magnetic plasmonspolaritons.2014,Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer.132,43-51。
2015年，专利号CN103197368A(一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法)，在该专利中公开了一种用于1.3-2.0μm波段的Al-SiO2-Al三明治结构宽带线栅偏振器，文中重点突出了采用紫外纳米压印方法制备的具体过程，并采用严格耦合波算法验证了该线栅结构较好的偏振性能和该制备方法良好的加工误差容忍度。文中对磁局域共振效应的分析较少。
2016年，张雷等通过银光栅-介质-金属微纳结构中激发的磁局域共振效应来实现石墨烯在近红外波段十六倍左右的吸收增强。见张雷，王卫，张红.基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究.2016,光散射学报.6.28(2):97-101。
以上研究结果大部分都是研究了亚波长微纳结构(金属-介质-金属)形式中的电磁共振效应对结构透过率的影响和物理机制，而缺乏针对金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的研究。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，本公开中分析了金属线栅材料的种类、线栅的结构参数对磁局域共振效性的影响，利用金属层与介质层之间的磁局域共振效应获得更高的TM透射率和消光比，来满足红外波段对偏振器的要求。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，包括基底，以及从基底自下而上依次排列的亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层；
作为可能的一些实现方式，所述低折射率亚波长介质线栅层的折射率在1.3-4.0之间，厚度为60-150nm；
作为进一步的限定，考虑到实际亚波长线栅制备工艺的限制，界定线栅的总厚度在250nm-350nm之间，选择介质线栅层厚度在60-150nm之间，线栅深宽比的提高增加了线栅的制备工艺的难度，偏振效果并不理想。
作为进一步的限定，所述低折射率亚波长介质线栅层的材料采用MgF2、SiO2、或TiO2，考虑到刻蚀和膜层的图形制作工艺，周期是300-600nm，占空比是0.4-0.7。
作为可能的一些实现方式，所述两层亚波长金属线栅层的厚度均为100nm；不考虑金属线栅层高度对线栅偏振特性的影响。
作为进一步的限定，所述的两层亚波长金属线栅层的周期和占空比与低折射率亚波长介质线栅层相同，金属材料选用Al、Cu、Ag或Au。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开设计的金属-介质-金属三层线栅结构偏振器，当入射光与线栅结构参数满足一定的条件时，可通过激发磁局域共振来提高TM波的透过率和大幅度的降低TE波的透射率，从而达到优化线栅的偏振特性的目的。亚波长金属线栅偏振器具有设计灵活、结构紧凑、易于集成、较宽的光谱和视场范围等优点，在微纳器件、集成光学等方面具有很大的应用前景。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器结构示意图；图中1为亚波长金属线栅层，2为低折射率亚波长介质线栅层，3为亚波长金属线栅层，4为透明基底；
图2为本公开实施例1中金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；
图3为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；
图4为本公开实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；
图5为本公开实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；
图6为本公开实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；
图7为本公开实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；
图8(a)和(b)分别为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器在磁局域共振效应1.5μm处电场和磁场的分布示意图；
图9(a)和(b)分别为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器在非磁局域共振效应4.0μm处电场和磁场的分布示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
对金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器结构的设计和光学性能的分析，采用有限局域差分法FDTD solutions软件模拟计算来完成。如图1所示，为本公开的金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的结构示意图，本公开选用具有高的消光系数的金属铝作为线栅的金属材料。从基底4自下而上依次是亚波长金属线栅层3、低折射率亚波长介质线栅层2、亚波长金属线栅层1。图1中亚波长金属线栅和低折射率亚波长介质线栅层的周期相同，都为p，线栅宽度为w，占空比f定义为w/p，低折射率亚波长介质线栅层2的厚度为h2，亚波长金属线栅层的厚度分别为h1和h3。
下面结合附图对本公开的具体实施方式进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示的金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底4为蓝宝石(Al2O3)，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是MgF2，厚度h1为100nm，金属线栅的材料为Al，周期p为500nm，厚度h1＝h2＝h3＝100nm，占空比为0.5。
在该结构条件下，TM、TE透射率与入射光波长关系如图2所示，消光比与入射光的波长关系如图3所示，在4μm处，TM透射率89.5％，Te透过率:5.352E-5，消光比42.2dB。
在磁局域共振波长1.5μm处，TM波透过率处于峰值位置，透过率为94％。其电场和磁场分布如图8所示：可看出，强烈的磁场局域在上下金属Al线栅之间的MgF2介质线栅层区域，强烈的电场由于共振腔模式主要分布在金属Al线栅槽区域，尤其是上层Al线栅槽的边界位置。而在非磁局域共振波长4.0μm处，如图9所示：磁场均匀分布在金属Al线栅槽区域和MgF2介质线栅层区域，强烈的电场均匀分布在金属Al线栅槽区域。
实施例2：
如图1所示的金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底4为蓝宝石(Al2O3)，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是SiO2，厚度h2为60nm，金属线栅的材料为Ag，周期p为300nm，厚度h1＝h3＝100nm，占空比为0.6。
在该结构条件下，TM、TE透射率与入射光波长关系如图4所示，消光比与入射光的波长关系如图5所示，在4μm处，TM透射率87.8％，Te透过率:6.07E-4，消光比51.6dB。在磁局域共振波长1.4μm处，TM波透过率处于峰值位置，透过率为94％。
实施例3：
如图1所示的金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底为蓝宝石(Al2O3)，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是TiO2，厚度h2为140nm，金属线栅的材料为Au，周期p为400nm，厚度h1＝h3＝100nm，占空比为0.7。
在该结构条件下，TM、TE透射率与入射光波长关系如图6所示，消光比与入射光的波长关系如图7所示，在4μm处，TM透射率94.2％，Te透过率:1.61E-2，消光比37.7dB。在磁局域共振波长1.9μm处，TM波透过率处于峰值位置，透过率为98％。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是：包括基底，以及从基底自下而上依次排列的亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层；
所述的低折射率亚波长介质线栅层的折射率在1.3-4.0之间，厚度为60-150nm；
所述亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层总厚度在250nm-350nm之间。
2.如权利要求1所述的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是，
所述两层亚波长金属线栅层的厚度均为100nm。
3.如权利要求1所述的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是，
所述低折射率亚波长介质线栅层的周期是300-600nm，占空比是0.4-0.7。
4.如权利要求1所述的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是，
所述低折射率亚波长介质线栅层的材料采用MgF2、SiO2、或TiO2。
5.如权利要求1所述的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是，
所述的两层亚波长金属线栅层的周期和占空比与低折射率亚波长介质线栅层相同，金属材料选用Al、Cu、Ag或Au。
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