CN110737033A - 基于超表面实现偏振干涉的结构、方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面实现偏振干涉的结构、方法及其应用，涉及微纳光学技术领域。由顶层‑银纳米砖阵列，中层‑二氧化硅透明基底以及底层‑银反射层三层结构构成。由于具有极厚的二氧化硅透明基底，该结构可使两个偏振方向正交的偏振光之间产生极大的相位差，从而获得对工作波长和入射光角度非常灵敏的响应。本发明可应用与波长选择和光束准直，其极高的灵敏度可灵敏的检测到波长和入射光角度的微小变化，可应用于入射光准直，波长选择等，具有极高的灵敏度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面实现偏振干涉的结构、方法及其应用。
背景技术
一般来说，两个振动方向互相垂直的光波无法产生干涉现象，但当加入一检偏器时，在检偏器透光轴上投影的两分量具有相同的振动方向，因此满足光波干涉的条件。偏振干涉即是指有相同的频率和固定的相位差，并且在同一平面上振动的两偏振光的干涉。偏振光干涉的应用很广，在物质结构应力测量、物质微观结构研究、材料物性分析和精密测量等方面都得到应用。但传统的偏振干涉仪为得到两束具有较大相位差且同一方向出射的偏振光需要设计和搭建庞大复杂的光路系统，且为达到较高的灵敏度很难对系统进行简化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于超表面实现偏振干涉的结构、方法及其应用，该结构结合磁共振的特点，使偏振方向正交的两束线偏振光在经过纳米砖阵列后分别发生透射和反射，透射光经过厚度远大于波长的二氧化硅层，被底层的银反射层反射，在出射端与反射光合并以同一方向出射，经过检偏器产生偏振干涉现象。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于超表面实现偏振干涉的结构，其特征在于：从光入射方向依次包括纳米砖阵列、透明基底及金属反射层；两偏振方向垂直的入射光经过基于超表面实现偏振干涉的结构产生恒定的相位差，在出射方向同时通过一检偏器满足偏振干涉条件；
所述纳米砖阵列、透明基底及金属反射层分别位于基于超表面实现偏振干涉的结构的顶层、中层及底层；
每个金属纳米砖与透明基底中二氧化硅和金属反射层中金属银作为一个纳米砖单元结构工作，所述纳米砖阵列由若干个朝向角一致的纳米砖单元结构组成，可将偏振方向沿长轴的入射光反射、偏振方向沿短轴的入射光透射；所述透明基底，用于使透射偏振光产生一定的光程；所述金属反射层，用于反射透射偏振光；
所述顶层超表面采用MIM材料，即银-二氧化硅-银的材料结构；所述位于顶层的金属银用以刻蚀纳米砖阵列；所述位于中层的透明基底采用二氧化硅用于传播光波；位于所述底层的金属反射层采用金属银用于反射光波；
所述每个纳米砖单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和刻蚀于该工作面上的一个金属纳米砖构成，所述金属纳米砖的结构参数分别为长L、宽W、高H，所述结构参数根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，均为亚波长级；以纳米砖单元结构的直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，金属纳米砖的长边为长轴，短边为短轴；
所述纳米砖单元结构针对设计波长满足磁共振条件，使得偏振方向沿金属纳米砖长轴的入射线偏振光达到极高的反射率；所述纳米砖单元结构的等效折射率介于周围环境折射率与二氧化硅层折射率之间，使得偏振方向沿金属纳米砖短轴的入射线偏光达到极高的透射率。
第二方面，本发明还提供一种基于超表面实现偏振干涉的方法，其特征在于：利用如权利要求1所述的基于超表面实现偏振干涉的结构，包含如下步骤：
(1)设定入射光工作波长为λ＝633nm，并采用电磁仿真软件CST建模仿真，对金属纳米砖结构参数即长轴、短轴、高度及单元尺寸进行优化来获取最佳结构参数：
分别以偏振方向沿金属纳米砖长轴的x线偏光和沿金属纳米砖短轴的y线偏光入射，以x线偏光反射率最高透射率最低和y线偏光透射率最高反射率最低为优化对象；通过扫描金属纳米砖的结构参数优化，得到金属纳米砖结构尺寸为：C＝300nm，L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm；对于此金属纳米砖结构优化结构，在设计波长633nm处，x线偏光反射率在90％以上，y线偏光透射率在97％以上；
(2)y线偏光由纳米砖阵列透射到二氧化硅基底并被底层的金属银反射层反射，在出射端与被纳米砖阵列反射的x偏振光合并以同一方向传播；所述二氧化硅基底厚度远大于工作波长为h，因此出射端两束偏振态正交的偏振光的相位差δ为：
其中，nsio2为二氧化硅层的折射率，λ为工作波长，θ为入射角度；所述二氧化硅厚度h＝500μm；金属银反射层厚度为200nm；
(3)y线偏光在出射端与反射的x偏振光合并，两偏振光间保持恒定的相位差δ；垂直于出射方向放置一个检偏器，为保证两偏振光的振幅分量相当，使检偏器透光轴与y线偏光和x偏振光的偏振方向均呈45°夹角；在检偏器透光轴上两束偏振光的投影的分量具有相同的振动方向，因此满足光波干涉的条件，通过透镜聚焦，在检偏器后方产生干涉图样。
第三方面，本发明还提供一种基于超表面实现偏振干涉的结构在制备基于超表面的偏振干涉仪中的应用，其特征在于：所述基于超表面的偏振干涉仪包含如权利要求1所述基于超表面实现偏振干涉的结构，从下到上依次为最底层的银反射层、用于粘合的钛层二氧化硅基底和银纳米砖阵列。
相较于现有技术，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明所设计的基于超表面的偏振干涉仪结构，结构简单无需复杂的光路和光学系统即可实现与传统偏振干涉仪一样的偏振干涉现象。
2、本发明所设计的基于超表面的偏振干涉仪结构由于可以使两束偏振态正交的光束产生较大的相位差，因此具有非常灵敏的响应度，可以检测到波长和入射角度等极其微小的变化。
3、本发明所采用的超表面材料，其结构尺寸均为亚波长级，因此具有体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展。
附图说明
图1为本发明中纳米砖单元结构示意图。
图2为本发明的结构及原理示意图。
图3为本发明中基于超表面的偏振干涉仪的实验装置示意图。
图中：1、金属纳米砖(实施例中指银纳米转)；2、透明基底(实施例中指二氧化硅基
底)；3、金属反射层(实施例中指银反射层)；4、透镜；5、检偏器；6、分束器；7、超表面偏振干
涉仪。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的原理设计以及技术效果作进一步地详细阐述。
如图所示，在本实施例中，采用入射光工作波长为λ＝633nm，采用电磁仿真软件CST建模仿真，如图1所示，纳米砖单元结构由1-银纳米砖、2-二氧化硅基底、3-银反射层构成，对纳米砖结构参数即长轴尺寸、短轴尺寸、高度及单元尺寸进行优化来获取最佳结构参数，分别以偏振方向沿纳米砖长轴的x线偏光和沿短轴的y线偏光入射，以x线偏光反射率最高透射率最低和y线偏光透射率最高反射率最低为优化对象。通过扫描纳米砖的结构参数优化，得到纳米砖结构尺寸为：C＝300nm，L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm。对于此优化结构，在设计波长633nm处，x线偏光反射率可达90％以上，y线偏光透射率在97％以上。
y线偏光由纳米砖阵列透射到二氧化硅基底并被底层的银反射层反射，在出射端与被纳米砖阵列反射的x偏振光合并以同一方向传播。所述二氧化硅基底厚度远大于工作波长为h，因此出射端两束偏振态正交的偏振光的相位差δ为：
其中，nsio2为二氧化硅层的折射率，λ为工作波长，θ为入射角度。本实施例中，二氧化硅厚度h＝500μm，由于二氧化硅基底厚度远大于工作波长，因此两偏振光的相位差将对波长和入射角度的微小变化具有很灵敏的响应，用于反射的银反射层厚度为200nm以及用于粘合的钛层厚度为3nm。
y线偏光在出射端与反射的x偏振光合并，两偏振光间保持恒定的相位差δ。垂直于出射方向放置一个检偏器，为保证两偏振光的振幅分量相当，使检偏器透光轴与y线偏光和x偏振光的偏振方向均呈45°夹角。在检偏器透光轴上两束偏振光的投影的分量具有相同的振动方向，因此满足光波干涉的条件，通过透镜的聚焦，在检偏器后方产生干涉图样。
Claims (3)
1.一种基于超表面实现偏振干涉的结构，其特征在于：从光入射方向依次包括纳米砖阵列、透明基底(2)及金属反射层(3)；两偏振方向垂直的入射光经过基于超表面实现偏振干涉的结构产生恒定的相位差，在出射方向同时通过一检偏器满足偏振干涉条件；
所述纳米砖阵列、透明基底(2)及金属反射层(3)分别位于基于超表面实现偏振干涉的结构的顶层、中层及底层；
每个金属纳米砖(1)与透明基底(2)中二氧化硅和金属反射层(3)中金属银作为一个纳米砖单元结构工作，所述纳米砖阵列由若干个朝向角一致的纳米砖单元结构组成，可将偏振方向沿长轴的入射光反射、偏振方向沿短轴的入射光透射；所述透明基底(2)，用于使透射偏振光产生一定的光程；所述金属反射层(3)，用于反射透射偏振光；
所述顶层超表面采用MIM材料，即银-二氧化硅-银的材料结构；所述位于顶层的金属银用以刻蚀纳米砖阵列；所述位于中层的透明基底(2)采用二氧化硅用于传播光波；位于所述底层的金属反射层(3)采用金属银用于反射光波；
所述每个纳米砖单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和刻蚀于该工作面上的一个金属纳米砖(1)构成，所述金属纳米砖(1)的结构参数分别为长L、宽W、高H，所述结构参数根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，均为亚波长级；以纳米砖单元结构的直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，金属纳米砖(1)的长边为长轴，短边为短轴；
所述纳米砖单元结构针对设计波长满足磁共振条件，使得偏振方向沿金属纳米砖(1)长轴的入射线偏振光达到极高的反射率；所述纳米砖单元结构的等效折射率介于周围环境折射率与二氧化硅层折射率之间，使得偏振方向沿金属纳米砖(1)短轴的入射线偏光达到极高的透射率。
2.一种基于超表面实现偏振干涉的方法，其特征在于：利用如权利要求1所述的基于超表面实现偏振干涉的结构，包含如下步骤：
(1)设定入射光工作波长为λ＝633nm，并采用电磁仿真软件CST建模仿真，对金属纳米砖(1)结构参数即长轴、短轴、高度及单元尺寸进行优化来获取最佳结构参数：
分别以偏振方向沿金属纳米砖(1)长轴的x线偏光和沿金属纳米砖(1)短轴的y线偏光入射，以x线偏光反射率最高透射率最低和y线偏光透射率最高反射率最低为优化对象；通过扫描金属纳米砖(1)的结构参数优化，得到金属纳米砖(1)结构尺寸为：C＝300nm，L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm；对于此金属纳米砖(1)结构优化结构，在设计波长633nm处，x线偏光反射率在90％以上，y线偏光透射率在97％以上；
(2)y线偏光由纳米砖阵列透射到二氧化硅基底并被底层的金属银反射层反射，在出射端与被纳米砖阵列反射的x偏振光合并以同一方向传播；所述二氧化硅基底厚度远大于工作波长为h，因此出射端两束偏振态正交的偏振光的相位差δ为：
其中，nsio2为二氧化硅层的折射率，λ为工作波长，θ为入射角度；所述二氧化硅厚度h＝500μm；金属银反射层厚度为200nm；
(3)y线偏光在出射端与反射的x偏振光合并，两偏振光间保持恒定的相位差δ；垂直于出射方向放置一个检偏器，为保证两偏振光的振幅分量相当，使检偏器透光轴与y线偏光和x偏振光的偏振方向均呈45°夹角；在检偏器透光轴上两束偏振光的投影的分量具有相同的振动方向，因此满足光波干涉的条件，通过透镜聚焦，在检偏器后方产生干涉图样。
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