CN110542942A - 光波段非对称超材料偏振调控器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光波段非对称超材料偏振调控器，它包括从上至下依次采用电子束蒸发沉积及电子束刻蚀工艺制备的图形化的金属微结构顶层、第一SiO2绝缘介质层、图形化的金属微结构中间层、第二SiO2绝缘介质层、图形化的金属微结构底层；本发明可以在可见光波段对正入射的光波实现非对称传输，减少因为自然光的非偏振性而在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时损失掉的大部分能量，同时因为本发明构成超材料这种亚波长结构，相对于传统的光学器件来说，可以明显降低器件厚度，同时具有体积小，易集成的优点，在可见光波段的偏振调控领域具有应用潜力。

Description

光波段非对称超材料偏振调控器及其制造方法
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体地指一种光波段非对称超材料偏振调控器及其制造方法。
背景技术
偏振作为光波的一个重要物理性质，在通信、探测、成像等许多实际应用中都非常重要。为了获得所需的偏振态，我们经常需要借助光偏振器件实现不同偏振状态之间的转化。自然光是非偏振光，在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时，不可避免的会产生大量的能量损失，这时候就要寻找新的材料来减少能量损失。
随着超材料的出现，人们可以进一步地操控光波/电磁波。超材料是一种由亚波长单元周期性排列而构成的人工复合结构/材料，它的电磁特性可以通过人工地改变结构的几何参数和尺寸来调节。而超表面是一种准二维平面化的超材料结构，可以通过结构单元的特定设计来实现其物理特性的人工调控，获得比自然材料更加优异的偏振光非对称转换性能来减少传统光学器件的能量损失，同时具备体积小，易集成的优点，有望替代传统的偏振器件。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种光波段非对称超材料偏振调控器及其制造方法，该偏振调控器在可见光波段(730～760nm)，对偏振方向沿着x轴方向的正入射线偏振光(x-偏振光)的交叉偏振透射率达到0.6以上，而对偏振方向沿着y轴方向的正入射线偏振光(y-偏振光)能保持0.5的透射率，同时对偏振转换有较高的阻隔性，交叉偏振透射率在0.1以下。
为实现此目的，本发明所设计的一种光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：它包括从上至下依次采用电子束蒸发沉积及电子束刻蚀工艺制备的图形化的金属微结构顶层、第一SiO2绝缘介质层、图形化的金属微结构中间层、第二SiO2绝缘介质层、图形化的金属微结构底层；
所述图形化的金属微结构顶层能在可见光波段处发生谐振，图形化的金属微结构顶层能将沿x轴方向的正入射线偏振光转化为偏振方向沿着y轴方向的正入射线偏振光；
所述x轴方向为图形化的金属微结构底层的宽度方向，y轴方向为图形化的金属微结构底层的长度方向，xy轴坐标系的坐标原点为第一SiO2绝缘介质层中心；
所述图形化的金属微结构中间层用于与图形化的金属微结构顶层和图形化的金属微结构底层构成微腔；
所述图形化的金属微结构底层能使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生非对称传输现象；
所述第一SiO2绝缘介质层和第二SiO2绝缘介质层与图形化的金属微结构顶层、图形化的金属微结构中间层和图形化的金属微结构底层组成超表面结构，在光波照射下，电磁场与金属内电子等离子体振荡的耦合作用激发表面等离极化激元。
一种上述光波段非对称超材料偏振调控器的制造方法，它包括如下步骤：
步骤1：在Si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积一层金属膜，在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构底层；
步骤2：在图形化的金属微结构底层上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第二SiO2绝缘介质层和一层金属膜，并在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构中间层；
步骤3：在图形化的金属微结构中间层上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第一SiO2绝缘介质层和另一层金属膜，并在该金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构顶层。
当光波正入射到该结构表面时，首先被图形化的金属微结构顶层(微纳区域)与图形化的金属微结构中间层构成的微腔所束缚，然后又会被图形化的金属微结构底层与图形化的金属微结构中间层构成的微腔中之后从底层透射出去，在保证透射率的同时又因为结构的平面手性(Planar chirality)与整体的各向异性而产生对偏振方向分别沿着x轴和y轴方向的两个正交线性偏振光的非对称传输。
相比与传统的光学偏振器件，本发明可以在可见光波段(730～760nm)对正入射的光波实现非对称传输，减少因为自然光的非偏振性而在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时损失掉的大部分能量，同时因为本发明构成的超材料(本发明设计的光波段非对称超材料偏振调控器即为超材料，超材料定义见中国专利2011101086612)是一种亚波长结构，相对于传统的光学器件来说，可以明显降低器件厚度，同时具有体积小，易集成的优点，在可见光波段的偏振调控领域具有应用潜力。
附图说明
图1为本发明超材料偏振调控器的三维结构示意图；
图2为本发明超材料偏振调控器的顶层截面示意图；
图3为本发明超材料偏振调控器的中间层截面示意图；
图4为本发明超材料偏振调控器的底层截面示意图；
图5为本发明超材料偏振调控器x-偏振光正入射时的偏振透射率示意图；
图6为本发明超材料偏振调控器y-偏振光正入射时的偏振透射率示意图；
其中，1—图形化的金属微结构顶层、1.1—单箭头形金属微结构顶层的直箭杆、1.2—斜箭杆、1.3—斜面、1.4—尖角面、2—第一SiO2绝缘介质层、3—图形化的金属微结构中间层、4—第二SiO2绝缘介质层、5—图形化的金属微结构底层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～4所示的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：它包括从上至下依次采用电子束蒸发沉积及电子束刻蚀工艺制备的图形化的金属微结构顶层1、第一SiO2绝缘介质层2、图形化的金属微结构中间层3、第二SiO2绝缘介质层4、图形化的金属微结构底层5；
所述图形化的金属微结构顶层1能在可见光波段处发生谐振，图形化的金属微结构顶层1能将沿x轴方向的正入射线偏振光转化为偏振方向沿着y轴方向的正入射线偏振光；
所述x轴方向为图形化的金属微结构底层5的宽度方向，y轴方向为图形化的金属微结构底层5的长度方向，xy轴坐标系的坐标原点为第一SiO2绝缘介质层2中心；
所述图形化的金属微结构中间层3作为双杆谐振器超表面结构用于与图形化的金属微结构顶层1和图形化的金属微结构底层5构成微腔，保证透射率的同时扩大工作带宽；
所述图形化的金属微结构底层5能使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生非对称传输现象；即对x偏振光有较高的偏振转化率，而对于y偏振光在保持透射率的同时又对偏振转换具有较高的阻隔性。
上述技术方案中，尺寸在微纳级的金属结构为金属微结构。
所述第一SiO2绝缘介质层2和第二SiO2绝缘介质层4与图形化的金属微结构顶层1、图形化的金属微结构中间层3和图形化的金属微结构底层5组成超表面结构，在光波照射下，电磁场与金属内电子等离子体振荡的耦合作用激发表面等离极化激元(一种沿着介质和导体界面方向传播的电磁波，在沿界面垂直方向上呈现约束并倏逝衰减)。
上述技术方案中，图形化的金属微结构顶层1、图形化的金属微结构中间层3和图形化的金属微结构底层5对于x轴和y轴具有周期性，同时在x轴方向、y轴方向和z轴方向(偏振调控器高度方向)几何尺度不同，整体呈现各向异性。对于x-偏振光，其透射光偏振态可被转化为偏振方向沿y轴方向的线偏振光，并具有较高的转化率，而对于y-偏振光在保持透射率的同时又对偏振转换具有较高的阻隔性。
上述技术方案中，所述图形化的金属微结构顶层1为单箭头形金属微结构顶层，所述单箭头形金属微结构顶层的箭头指向为x轴负方向与y轴正方向的对角线。
上述技术方案中，所述图形化的金属微结构中间层3为双杆谐振器形金属微结构中间层，双杆谐振器形金属微结构中间层平行于x轴负方向与y轴正方向的对角线。
上述技术方案中，所述第一SiO2绝缘介质层2和第二SiO2绝缘介质层4为两个尺寸完全一样的长方体。
上述技术方案中，所述图形化的金属微结构底层5为长方体，图形化的金属微结构底层5与图形化的金属微结构顶层1在x轴方向和y轴方向几何尺度不同，顶层的平面手性与整体各向异性才可以产生非对称偏振旋转的效果。
上述技术方案中，所述图形化的金属微结构顶层1的厚度为35nm，第一SiO2绝缘介质层2的厚度为360nm，图形化的金属微结构中间层3的厚度为260nm，第二SiO2绝缘介质层4的厚度为360nm，图形化的金属微结构底层5的厚度为15nm；各层的厚度为经过多次仿真进行参数优化后确定下来的最优值；
所述第一SiO2绝缘介质层2和第二SiO2绝缘介质层4的长宽都是500nm。质层的长宽是整个超材料单元结构周期的大小，为了保证工作波段在可见光，整个结构应为亚波长结构，也就是小于工作波长，500nm为多次仿真后确定下来的最优值。
图形化的金属微结构底层5的长为500nm，宽为130nm。
上述技术方案中，所述单箭头形金属微结构顶层的箭头到箭尾的长度为420nm，单箭头形金属微结构顶层的直箭杆1.1的宽度L1为100nm，单箭头形金属微结构顶层的两个斜箭杆1.2在箭头处形成直角，两个斜箭杆1.2的外侧边长度L2均为400nm，两个斜箭杆1.2的内侧边长度L3均为200nm，两个斜箭杆1.2的宽度均为75nm，所述两个斜箭杆1.2的尾端均为斜面1.3，直箭杆1.1的尾端为尖角面1.4。尾端尖锐有利于增加共振的强度，当不为尖角时效果略有下降。
上述技术方案中，所述双杆谐振器形金属微结构中间层的每一个杆的长度均为343nm，宽度均为60nm。谐振器长宽为经过多次仿真进行参数优化后确定下来的最优值。
上述技术方案中，所述图形化的金属微结构顶层1作为手性超表面结构(手性指物体不能通过旋转或平移等操作来与其镜像完全重合的性质)，在可见光波段(730～760nm)发生谐振，利用手性结构特殊的光学性质-旋光性(当一个任意的电磁波进入手性介质时，它会被分解为两个模式，左旋圆偏振和右旋圆偏振波，由于两种波在手性介质里的折射率不同，也就是传输速率不同，这种不同导致了偏振面的旋转，从而显示出旋光性)，将x-偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的线偏振光。
一种上述光波段非对称超材料偏振调控器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在Si(硅)基片上采用电子束蒸发沉积法沉积一层金属膜，在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构底层5；
步骤2：在图形化的金属微结构底层5上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第二SiO2绝缘介质层4和一层金属膜，并在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构中间层3；
步骤3：在图形化的金属微结构中间层3上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第一SiO2绝缘介质层2和另一层金属膜，并在该金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构顶层1。
所述金属膜为金膜。制备超材料结构常用金属材料包括:铝、银、金等。铝和银是两种自由电子密度极高的金属材料，其等离激元共振峰可以达到极紫外波段。金的自由电子密度则要弱于前两者，其表面等离激元共振峰一般在可见光波段，且损耗较低，所以金属材料选择用金。
本发明对交叉偏振透射率、同偏振透射率和偏振转换率进行了计算。
其中，本设计在可见光波段(730nm-760nm)，对x-偏振光的交叉偏振透射率达到0.6以上，偏振转换率高达0.9以上，而对y-偏振光能保持0.5的透射率，同时对偏振转换有较高的阻隔性，交叉偏振透射率在0.1以下。
同偏振透射率代表x(y)偏振到x(y)偏振的透射率，表示的是正入射偏振光透射后未发生偏转的部分，交叉偏振透射率代表x(y)偏振到y(x)偏振的透射率，表示的是正入射偏振光透射后发生偏转的部分，从图5中可看出x偏振光入射后在730nm到760nm波段内的交叉偏振透射率达到0.6以上，即x偏振光入射后转换为y偏振光部分的透射率在0.6以上，同理，图6中，y偏振光入射后的同偏振透射率在0.5左右，即y偏振光入射后保持为y偏振光未发生偏转部分的透射率在0.5左右。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：它包括从上至下依次采用电子束蒸发沉积及电子束刻蚀工艺制备的图形化的金属微结构顶层(1)、第一SiO2绝缘介质层(2)、图形化的金属微结构中间层(3)、第二SiO2绝缘介质层(4)、图形化的金属微结构底层(5)；
所述图形化的金属微结构顶层(1)能在可见光波段处发生谐振，图形化的金属微结构顶层(1)能将沿x轴方向的正入射线偏振光转化为偏振方向沿着y轴方向的正入射线偏振光；
所述x轴方向为图形化的金属微结构底层(5)的宽度方向，y轴方向为图形化的金属微结构底层(5)的长度方向，xy轴坐标系的坐标原点为第一SiO2绝缘介质层(2)中心；
所述图形化的金属微结构中间层(3)用于与图形化的金属微结构顶层(1)和图形化的金属微结构底层(5)构成微腔；
所述图形化的金属微结构底层(5)能使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生非对称传输现象；
所述第一SiO2绝缘介质层(2)和第二SiO2绝缘介质层(4)与图形化的金属微结构顶层(1)、图形化的金属微结构中间层(3)和图形化的金属微结构底层(5)组成超表面结构，在光波照射下，电磁场与金属内电子等离子体振荡的耦合作用激发表面等离极化激元。
2.根据权利要求1所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述图形化的金属微结构顶层(1)为单箭头形金属微结构顶层，所述单箭头形金属微结构顶层的箭头指向为x轴负方向与y轴正方向的对角线。
3.根据权利要求1或2所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述图形化的金属微结构中间层(3)为双杆谐振器形金属微结构中间层，双杆谐振器形金属微结构中间层平行于x轴负方向与y轴正方向的对角线。
4.根据权利要求1所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述第一SiO2绝缘介质层(2)和第二SiO2绝缘介质层(4)为两个尺寸完全一样的长方体。
5.根据权利要求1所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述图形化的金属微结构底层(5)为长方体，图形化的金属微结构底层(5)与图形化的金属微结构顶层(1)在x轴方向和y轴方向几何尺度不同。
6.根据权利要求3所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述图形化的金属微结构顶层(1)的厚度为35nm，第一SiO2绝缘介质层(2)的厚度为360nm，图形化的金属微结构中间层(3)的厚度为260nm，第二SiO2绝缘介质层(4)的厚度为360nm，图形化的金属微结构底层(5)的厚度为15nm；
所述第一SiO2绝缘介质层(2)和第二SiO2绝缘介质层(4)的长宽都是500nm。
图形化的金属微结构底层(5)的长为500nm，宽为130nm。
7.根据权利要求3所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述单箭头形金属微结构顶层的箭头到箭尾的长度为420nm，单箭头形金属微结构顶层的直箭杆(1.1)的宽度L1为100nm，单箭头形金属微结构顶层的两个斜箭杆(1.2)在箭头处形成直角，两个斜箭杆(1.2)的外侧边长度L2均为400nm，两个斜箭杆(1.2)的内侧边长度L3均为200nm，两个斜箭杆(1.2)的宽度均为75nm，所述两个斜箭杆(1.2)的尾端均为斜面(1.3)，直箭杆(1.1)的尾端为尖角面(1.4)。
8.根据权利要求3所述的光波段非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述双杆谐振器形金属微结构中间层的每一个杆的长度均为343nm，宽度均为60nm。
9.一种权利要求1所述光波段非对称超材料偏振调控器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在Si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积一层金属膜，在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构底层(5)；
步骤2：在图形化的金属微结构底层(5)上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第二SiO2绝缘介质层(4)和一层金属膜，并在金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构中间层(3)；
步骤3：在图形化的金属微结构中间层(3)上依次采用电子束蒸发沉积法沉积第一SiO2绝缘介质层(2)和另一层金属膜，并在该金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微结构顶层(1)。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述金属膜为金膜。
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