CN110568624B - 基于角度色散原理的偏振转化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于特异介质技术领域，具体为一种基于角度色散原理的偏振转化装置。本发明偏振转化装置由M‑I‑M结构和旋转器组成；M‑I‑M结构中，上层金属层是超表面阵列；旋转器由基座、平移装置和样品台组成；样品台具有垂直方向和水平方向的调节螺母，通过旋转螺母可以改变入射光照射到样品上的角度；通过调节单元与单元之间的耦合，实现材料对于不同入射角的电磁波产生不同的响应，包括在线偏振入射情况下，对于不同入射角的入射光，出射光转化为对应的线偏光、椭偏光、圆偏光。本发明采用金属共振结构，利用平面电磁共振来剧烈地调控电磁波的相位变化，在亚波长尺度下也可以自由地调控电磁波；而且结构简单，厚度大大减少。
Description
技术领域
本发明属于特异介质技术领域，具体涉及一种基于角度色散原理的偏振转化装置。
背景技术
常规材料是由分子或原子构成的，分子和原子对外界电磁波的响应决定了该材料的电磁性质。特异介质是通过设计某种人工的“分子和原子”，通常称之为特异原子。特异介质大大扩展人们调制电磁波的自由度。人们只要精心设计这种特异原子，并将其以某种宏观序的形式排列成阵列，便能得到具有特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”。特异介质具有广泛的应用前景。
随着特异介质的研究的深入，相对于常规材料，人们发现其中也存在着一些难以避免的问题，角度色散问题就是其中之一。由于特异介质利用的是精心设计的特异原子，为了能最大限度的调节电磁波，这些特异原子往往处于电磁共振状态，因此有着较强的电磁共振场，这会导致特异原子之间的耦合强度相对于传统材料要强的多，从而也会有着更强烈的角度色散现象。
本发明定量研究了角度色散现象与耦合强度的关系，并且对于大家都尽量避免的角度色散，我们反其道行之，通过精心设计耦合强度来控制角度色散，从而设计出基于角度色散原理的偏振转化装置。
发明内容
本发明的目的在于设计一种能够在电磁波不同入射角度下，使出射光对应不同偏振状态的电磁波偏振转化装置。
本发明设计的电磁波偏振转化装置，可通过人为调节单元与单元之间的耦合，实现材料对于不同入射角的电磁波产生不同的响应，包括在线偏振入射情况下，对于不同入射角的入射光，出射光可以转化为对应的线偏光、椭偏光、圆偏光。该装置具体由两部分组成：M-I-M结构和旋转器；其中：
所述M-I-M结构，即为金属-介质-金属三明治结构：其中：
上层金属层是一种超表面阵列，由中心对称的十字形结构，按水平与垂直方向周期性延拓组成，其大小为200*200um-350*350um，优选为300um*300um(超表面阵列大小由光斑的大小确定，要求确保光斑完全落在样品上；一般超表面阵列一边长度大于光斑直经的两倍即可)；所述十字形结构水平与垂直方向的金属条大小相同，金属条长度为200-300nm，它决定工作波长，其长度可以根据需要调节，比如若想要工作波长大于1400nm，需要金属条长度大于250nm，反之，金属条长度小于250nm；另外十字形结构延拓的周期比金属条长度大20nm～40nm为宜；金属条线宽为50nm±30nm，该宽度对实验结果影响很小，只会些微改变工作波长的带宽情况；金属条厚度为30nm±20nm，该厚度对结果影响很小，对工作波长带宽稍有影响。
中间介质层为平整的二氧化硅介质，其厚度为40nm～60nm，该厚度对结果有较大影响，该厚度决定体系的吸收情况以及偏振调控的结果，如果太薄，则体系吸收太大，效率较低；如果太厚，则在测试入射角度的变化范围内体系无法达到想要的偏振转化效果。
最下层为平整的金属膜，其厚度为大于150nm，这层银膜只起到使电磁波全部反射的作用，只要大于150nm都可以，通常为150-200nm。具体结构如图1所示。
所述旋转器由基座、平移装置和样品台组成，其中：基座用于固定平移装置，样品台设置于平移装置上，使用时样品粘在样品台上；样品台由三个垂直方向的螺母固定，并可分别在空间三个方向自由平移，以此保证入射光可以照射到样品上；同时，样品台具有垂直方向和水平方向的调节螺母(即垂直旋转器和水平旋转器)，通过旋转螺母可以改变入射光照射到样品上的角度。可以通过旋转螺母来改变入射光照射到样品上的角度。
本发明中，所述金属优选为银。
在实验时，将M-I-M结构粘在样品台上，将旋转器置于检测光路中；检测光路如图7所示，包括：激光源，光束准直器，一个分束器(BS)，3个线性偏振器(LP)，3个透镜，2个探测器。入射光(激光)先经过光束准直器进行准直，再经过分束器将入射光能量平分，一半能量经过第一个偏振器转化为线偏光后经过第一个透镜由第一个探测器接收，用以测量入射总能量；另一半能量经过第二的偏振器转化为线偏光后经过第二透镜打在样品上；通过调节旋转器中层间的平移装置，使得这一半光能够确确实实地照射在样品上；最后反射光再经过第三偏振器与第三个透镜由第二个探测器接收，这里使用偏振器是为了检测反射光的偏振状态，透镜的作用均为聚焦能量，让探测器更好地接收能量。当然这里使用的光路只是为了实验定量的测量。实际应用中只需要样品和旋转器就能做到光偏振状态的自由转化即可。
为了理解本发明装置是如何工作的，需要先理解传统偏振器的工作原理，传统偏振片利用的是在双折射晶体中TE波与TM波的透过相位不同从而调节出射光的偏振状态。本发明中，通过调节平移装置，使得电磁波照射到样品上。先通过调节最上层的垂直旋转器，使得相对于样品表面，入射光的TE波与TM波的分量各占一半，此时若不调节水平旋转器，那么光是垂直照射到样品上的，而根据本发明的设计，TE波与TM波的反射相位相等，反射波为线偏振光。当慢慢地转动水平旋转器，光照射到样品上的角度也会随之变化，TE波相位与TM波相位随着入射角变化而变化的速率并不相同(理论解释后面给出)，因此反射光TE波与TM波的相位差也由0慢慢增加，垂直入射时由于相位差为0，因此反射光仍未线偏振，旋转水平旋转器：使得入射角在0～50度时，相位差在
变化，因此反射光为椭圆偏振；当入射角在50度时，相位差为
此时反射光变为圆偏振光；当入射角大于50度时，相位差在
变化，此时反射光又变为椭圆偏振，当然此时的长轴与入射角在0～50度时的长轴垂直。
本发明有两大优势：
1、目前，近红外波段常见的偏振片均在毫米量级，最薄的单频偏振片其厚度也大于10-2mm量级，而本发明装置厚度加起来也不到300nm。比传统偏振器的厚度小了一百倍左右。这是因为传统偏振片用的是双折射晶体，利用双折射晶体o光和e光(这里为了物理上方便理解均用TM波和TE波表示)折射率的不同来积累相位差，从而实现偏振转化。但是自然材料不同晶轴的折射率差别并不大，其折射率差别往往在10-1量级，因此为了积累足够的相位差就需要材料的厚度足够大才行，对应器件的厚度要比工作波长大的多，这是用传统方法无法克服的瓶颈问题。而本发明则是利用金属共振结构(图1中的银制十字形结构)，利用平面电磁共振来剧烈地调控电磁波的相位变化，因此在亚波长尺度下也可以自由地调控电磁波；
2、对于电磁波不同偏振态的调节，一般往往需要不同的偏振片，本发明装置只是一个动态可调的装置，就可以实现所有偏振状态的调节，我们要做的只是针对所需的偏振态，将旋转器转对应的角度即可，不同入射角对应的偏振转化实验结果，如图6所示。
本发明装置的一个实施例中，工作波长为1400nm，根据电磁标度定理，可以推广到任何频率范围。而且通过精心设计不同的耦合情况，可以实现各种不同的角度依赖多功能器件，而不仅仅是偏振转化装置。
附图说明
图1为本发明的器件结构侧视图与器件扫描电镜俯视图。
图2为模拟和实验在不同入射角下的元器件对TE和TM极化的反射光谱。
图3为入射角相关偏振控制元器件的模拟反射相位。其中，(a)有限元法模拟了不同入射角下，具有TE(实线)和TM(虚线)偏振的超表面的反射相位谱。(b)有限元模拟了不同入射角的光照下超表面的TE和TM极化之间的反射相位差。
图4为TE偏振波(a)与TM偏振波(b)入射时的电场分布。可以看出TM偏振下超原子间的耦合远远大于TE偏振波。
图5为TE和TM极化在不同波长与入射角下的反射相位差。其中，插图为1400nm处具体的反射相位差与推导的偏振转化状态。
图6为不同入射角入射光经过元器件的出射光偏振状态的实验和模拟对比。
图7为测试光路图。LP：线性偏振器，BS：分束器，RS：旋转器。通过旋转旋转器，可以在上端探测器探测到不同入射角度的入射光照射下出射光的偏振态。
具体实施方式
本发明通过设计特异原子间的耦合强度来实现角度依赖的偏振转化装置。包括理论分析、模拟、实验，具体如下。
1、理论分析：用广义紧束缚理论来描述(GTBM)耦合强度，首先确定体系的本征模式，设其有确定的共振频率f0与可以被很好定义的波函数
其中
为十字形结构被外界光照射后辐射出的电场，
为十字形结构被外界光照射后辐射出的磁场，
为原点到空间任一位置的位置矢量，这里原点的选取并不会影响最后计算出的耦合强度。将这些十字形结构排在一起时，他们之间的耦合强度可以表示为：
其中，
是第一个十字形结构的极化场的共轭，
是第二个十字形结构的电场，
是归一化能量，代表单一十字形结构所储存的总能量。将这一结论推广到周期性体系中，就可以知道该周期性体系的共振频率随着入射角的变化有着定量的描述。
假设入射角是α，那么不同角度入射下的共振频率可以用下式描述：
f(α)＝f0+J0+J1cos[k(α)P]+J2cos[2k(α)P]+......
其中，f0是单一十字形结构的共振频率，J0是此十字形结构与同一列十字形结构之间的耦合，并不影响共振频率的角度色散，J1是此十字形结构与最近邻一列十字形结构之间的耦合，J2是此十字形结构与次近邻一列十字形结构之间的耦合，P为周期，k(α)为水平波矢。因此对于不同入射角α，只需要精心调控特异原子间的耦合J0,J1,J2……,就可以实现不同入射光照射下体系的共振频率不同，从而实现角度色散的人为调控。
基于以上理解，本发明利用角度色散现象来实现角度依赖的功能器件。本发明利用M-I-M(金属-介质-金属)结构，其中，最上层是银制十字形结构，我们分别从实验和模拟上得到了其不同入射角度的TE波入射和不同入射角度的TM波入射的反射谱，TE波与TM波的k矢量方向均在x-z平面内，对于TE波，电场E始终沿y方向，对于TM波，磁场始终沿y方向。可以看出在0度入射时，TE波与TM波的反射谱一模一样，这是因为这个体系在x和y方向是各向同性的，但是一旦斜入射的情况出现，TE波与TM波的差别就出现了，这是因为TE波只能激发十字形沿y方向的bar，而TM波只能激发十字形沿x方向的bar，因此对于TE波，体系的近场耦合比TM波要小很多，这是因为TM波所激发的bar是“头对头”的，而TE波所激发的bar是平行的。所以随着入射角的增加，TE波的共振频率基本不变，而TM波的共振频率有着明显的变化。这就导致了TE波入射和TM波入射的反射相位差在垂直入射时为0，但随着入射角的增大，在共振频率附近差别越来越大。我们选取入射光波长为1400nm位置处，可见他们的相位差随着角度的增大慢慢从0变到了接近180度。因此一旦我们用45度线偏振光入射时，此时TE波与TM波的分量各占一半，出射波随着角度就有从线偏到椭偏到圆偏再到椭偏的变化。实验上通过在接收端加可旋转的偏振片，可以测量出射波的偏振状态，这与模拟的结果可以很好地稳合在一起。
2、模拟：通过有限时序差分的电磁波计算程序包模拟，设计基于角度色散原理的偏振转化装置。
本发明设计的M-I-M结构:
(1)第一层是中心对称的十字型的银制结构，厚度t为30nm，按水平与垂直方向周期延拓，其在水平与垂直方向延拓的周期均为280nm，水平与垂直方向的金属长度均为250nm,金属线宽50nm。
(2)第二层为各向同性均匀介质(Si02)，其相对介电常数为2.13，相对磁导率为1，相对电导率为0，厚度ts为50nm。
(3)第三层为完整银膜，厚度tm为150nm。
在1400nm处，TE波的共振频率基本不变，而TM波的共振频率有着明显的变化。因此一旦我们用45度偏振入射时，此时TE波与TM波的分量各占一半，出射波随着角度就有从线偏到椭偏到圆偏再到椭偏的变化。
3、实验
样品制作：超表面阵列按照标准电子束光刻(EBL)和剥离工艺制造。首先，使用磁控溅射在硅基板上沉积3nm Cr、150nm Au/Ag、3nm Cr和50nm SiO2。然后，将正性抗蚀剂mmael6(200nm)和pmma a2(80nm)旋涂在具有底部Au/Ag(150nm)和SiO2层(50nm)的基底上。用加速电压为100kv的EBL(jeol 6300)定义了超表面阵列。暴露后，在异丙醇(IPA)和甲基异丁基酮(MIBK)的3:1混合物中显影30s。显影后，用电子束蒸发法沉积3nm Cr和30nm Au/Ag。最后，将样品浸在丙酮中30分钟，取出。利用扫描电子显微镜(蔡司西格玛)对所制备的超表面进行成像，以确定纳米结构的实际尺寸。样品区均为300um*300um。
实验测量：使用宏观角分辨光谱仪，配备宽带超连续谱白光光源、偏振器、CCD和光纤耦合光栅光谱仪QE6000(IDEAONORE NI2500)来表征制作的金属表面的角色散。使用4F系统将入射光的发散角最小化为1°。光斑大小是130微米。样品放置在手动旋转阶段，旋转样品阶段以改变入射角。接收端放置在机动旋转台上改变相应的反射角，在接收检测器前放置一个偏振片，测量入射角依赖的偏振控制超表面的PCR结果。
补充说明：实施例中的偏振转化装置的工作波长为1400nm，这由特异原子结构参数决定的。可以推广到任意波长。而且利用不同的设计，可以实现角度依赖的多功能器件，不仅仅是偏振转化装置。
Claims (4)
1.一种电磁波偏振转化装置，其特征在于，根据设计的结构，通过人为调节单元与单元之间的耦合，实现材料对于不同入射角的电磁波产生不同的响应，包括在线偏振入射情况下，对于不同入射角的入射光，出射光转化为对应的线偏光、椭偏光或圆偏光；该装置结构由M-I-M结构和旋转器组成；
所述M-I-M结构，即为金属-介质-金属三明治结构：其中：
上层金属层是一种超表面阵列，由中心对称的十字形结构、按水平与垂直方向周期性延拓组成，其大小为200*200 um -350*350 um；所述十字形结构水平与垂直方向的金属条大小相同，金属条长度为200-300nm，它决定工作波长；十字形结构延拓的周期比金属条长度大20nm~40nm；金属条线宽为50nm±30nm；金属条厚度为30nm±20nm；
中间介质层为平整的二氧化硅介质，其厚度为40nm~60nm ；
最下层为平整的金属膜，其厚度为大于150nm；
所述旋转器由基座、平移装置和样品台组成；基座用于固定平移装置，样品台设置于平移装置上，使用时样品粘在样品台上；样品台由三个垂直方向的螺母固定，并可分别在空间三个方向自由平移，以此保证入射光可以照射到样品上；样品台具有垂直方向和水平方向的调节螺母，通过旋转螺母可以改变入射光照射到样品上的角度。
2.根据权利要求1所述的电磁波偏振转化装置，其特征在于，所述上层金属层和下层的金属膜为银。
3.如权利要求1所述的电磁波偏振转化装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：
将M-I-M结构粘在样品台上，将旋转器置于检测光路中；所述检测光路包括：激光源，光束准直器，一个分束器，3个线性偏振器， 3个透镜，2个探测器；入射光先经过光束准直器进行准直，再经过分束器将入射光能量平分，一半能量经过第一个偏振器转化为线偏光后经过第一个透镜由第一个探测器接收，用以测量入射总能量；另一半能量经过第二的偏振器转化为线偏光后经过第二透镜打在样品上；通过调节旋转器中的平移装置，使得这一半光能够确确实实地照射在样品上；最后反射光再经过第三偏振器与第三个透镜由第二个探测器接收。
4.根据权利要求3所述的电磁波偏振转化装置的使用方法，其特征在于，通过调节平移装置，使得电磁波照射到样品上；通过调节最上层的垂直旋转器，使得相对于样品表面，入射光的TE波与TM波的分量各占一半，光是垂直照射到样品上，此时TE波与TM波的反射相位相等，反射波为线偏振光；慢慢地转动水平旋转器，光照射到样品上的角度随之变化，TE波相位与TM波相位随着入射角变化而变化的速率并不相同，反射光TE波与TM波的相位差也由0慢慢增加；旋转水平旋转器，当入射角在0~50度时，相位差在0~π/2变化，反射光为椭圆偏振；当入射角在50度时，相位差为π/2，此时反射光变为圆偏振；当入射角大于50度时，相位差在π/2~π变化，此时反射光又变为椭圆偏振；
偏振转化装置的工作波长为1400nm。
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