CN112130245B - 宽带高透过非对称超材料偏振调控器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器，所述偏振调控器包括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纳结构底层、在图形化的金属微纳结构底层顶面采用电子束蒸发沉积制备的绝缘介质层、在绝缘介质层顶面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纳结构顶层；本发明利用超材料的结构设计制造一种非对称光波调控器。本发明具有比自然材料更加优异的偏振光非对称转换性能，本发明能减少传统光学器件的能量损失。

Description

宽带高透过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，具体涉及一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器及其制造方法。

背景技术

偏振态是电磁波的重要特征参量之一，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，不可避免的会损失近一半的非偏振入射光的能量，这时候就要寻找新的材料来减少能量损失。

传统的偏振控制器件常常使用自然界中的高分子聚合物和晶体来制作，但此类材料对于高频段的电磁响应很低，为了实现对偏振光良好的控制效果，偏振控制器件的几何尺寸一般远大于电磁波工作频段的波长，阻碍了偏振调控器件的在未来诸多方面的应用，不能满足通信、成像、光谱技术等方面在太赫兹及可见光波段未来日益迫切的需求。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结构单元的特定设计来实现人工调控，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

本发明的目的在于提供一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器及其制造方法，本发明利用超材料的结构设计制造一种非对称光波调控器。本发明具有比自然材料更加优异的偏振光非对称转换性能，本发明能减少传统光学器件的能量损失。

为解决上述技术问题，本发明所设计的宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述偏振调控器包括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纳结构底层、在图形化的金属微纳结构底层顶面采用电子束蒸发沉积制备的绝缘介质层、在绝缘介质层顶面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纳结构顶层；

所述图形化的金属微纳结构顶层结构形状为双杆谐振器形，图形化的金属微纳结构顶层能在可见光波段处发生偶极谐振，将沿x轴方向上的偏振光转化为沿y轴方向上的偏振光；

所述图形化的金属微纳结构底层结构形状为长方体，图形化的金属微纳结构底层用于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，并与图形化的金属微纳结构顶层构成微腔，用于保证工作带宽的同时提高透射率。

一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器的制作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在SiO₂基片上采用电子束蒸发沉积法沉积第一层金属膜，在第一层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构底层；

步骤2：在图形化的金属微纳结构底层上采用电子束蒸发沉积法沉积一层介质层SiO₂形成绝缘介质层，在绝缘介质层上采用采用电子束蒸发沉积法沉积第二层金属膜，并在第二层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构顶层。

当光波正入射到该结构表面时，首先由图形化的金属微纳结构顶层的双杆谐振器结构产生偏振旋转，然后在图形化金属微纳结构顶层的双杆谐振器与图形化的金属微纳结构底层金属栅构成的微腔产生共振和正交偏振转换之后，从图形化的金属微纳结构底层透射出去。在保证带宽的同时又因为结构的整体各向异性而产生对偏振方向分别沿着x和y方向的两个正交线性偏振光的非对称偏振转换，提高线偏振光的透射率。

相比与传统的光学偏振器件，本发明的宽带高透过超材料结构对于正入射的x线偏振光而言，该结构存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，而对于正入射的y线偏振光而言，只存在极弱的偏振转换功能，大部分入射光将维持原偏振方向通过超材料结构，也就是说，该宽带高透过超材料结构对于正入射的y偏振光而言是一个“开”的状态，该宽带高透过超材料结构对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件在可见光波段所产生的能量损失；

本发明可以在可见光及近红外波段(684nm-792nm)对正入射的光波实现非对称偏振转换传输，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，同时因为采用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，在可见光及近红外波段的偏振调控领域具有应用潜力。

在非对称偏振转换研究中，与传统晶体材料偏振片类似，超材料偏振转换器件在将非偏振光转换为线偏振光的过程中效率仍然很低，损失了近一半的非偏振入射光的能量(大多数偏振转换器件，只能将入射的y/x线偏振光转换为x/y线偏振光，而入射的x/y线偏振光透过率很低，因此透射的x/y线偏振光的能量不超过入射光的50％)。针对以上问题，我们提出了一种宽带高透过可见光波段非对称偏振转换结构，将分布在两个正交线性偏振态的电磁波能量集中到一个偏振态上来，将为诸多低损耗光电应用提供可行的技术实现途径。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明的顶层截面示意图；

图3为本发明的底层截面示意图；

图4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5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—图形化的金属微纳结构顶层、2—绝缘介质层、3—图形化的金属微纳结构底层。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器，如图1～3所示，所述偏振调控器包括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纳结构底层3、在图形化的金属微纳结构底层3顶面采用电子束蒸发沉积制备的绝缘介质层2、在绝缘介质层2顶面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纳结构顶层1；当x线偏振光正入射到金属微纳结构顶层1时，只有一部分光可以转换成其交叉偏振y偏振光，然后通过金属微纳结构底层3，而剩余的x偏振光在所研究的整个波长范围内被金属微纳结构底层3层反射，并返回与金属微纳结构顶层1进行相互作用，其交叉偏振透射率有了显著的提升。然后，金属微纳结构顶层1反射的光将由金属微纳结构底层3再次选择。光在上下两个金属层之间不断地反射，产生法布里-珀罗共振，最终产生增强的y-偏振光；

所述图形化的金属微纳结构顶层1结构形状为双杆谐振器形，图形化的金属微纳结构顶层1能在可见光波段处(724～745nm)发生偶极谐振，将沿x轴方向上的偏振光转化为沿y轴方向上的偏振光；金属微纳结构顶层1对入射的线偏振光具有偏振转换作用(将x线偏振光转换为y线偏振光，同时将y线偏振光转换为x线偏振光)；金属微纳结构底层3具有偏振选择性，允许y线偏振光透过，并将x线偏振光反射；

所述图形化的金属微纳结构底层3结构形状为长方体，其为亚波长金属光栅结构(亚波长金属光栅的延伸(光栅槽型)方向是沿着y轴，同时x轴方向是亚波长金属光栅的周期变化方向)，图形化的金属微纳结构底层3用于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)，并与图形化的金属微纳结构顶层1构成微腔，用于保证透射率的同时扩大工作带宽。

上述技术方案中，所述图形化的金属微纳结构底层3的亚波长金属光栅栅条沿y轴方向延伸，x轴方向为金属微纳结构底层3中光栅的周期变化方向，图形化的金属微纳结构顶层1的亚波长金属光栅栅条沿x，y轴均为周期性排列。同时在x轴方向、y轴方向和z轴方向几何尺度不同，整体呈现各向异性(上述x轴为图形化的金属微纳结构底层3的亚波长金属光栅栅条的宽度方向，y轴为图形化的金属微纳结构底层3的亚波长金属光栅栅条的长度方向，z轴为绝缘介质层2的厚度方向)。对于x轴方向的偏振光，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轴方向的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，所述绝缘介质层2结构形状为长方体，绝缘介质层2的顶面和底面分别与图形化的金属微纳结构顶层1和图形化的金属微纳结构底层3形成超材料结构(双金属杆与亚波长金属光栅形成的超材料结构)，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(对于金属超表面，都是通过激发表面等离激元，对入射光产生相位突变，从而对光的偏振，相位，波前进行调控)，只有激发了金属表面的等离激元，才能对入射光的偏振进行调控。

上述技术方案中，图形化的金属微纳结构顶层1的厚度范围为230～250nm，绝缘介质层2的厚度范围为330～350nm，图形化的金属微纳结构底层3的厚度范围为14～16nm。对于超表面结构，结构的参数对光的性质调控具有较大的影响，上述的参数值都是通过系统的参数扫描所得，在上述的参数范围内，该超表面结构的非对称偏振转换性能最好。

上述技术方案中，所述图形化的金属微纳结构顶层1由第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2组成，所述第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的为长方体，且第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的尺寸相同。对于超表面结构，结构的参数对光的性质调控具有较大的影响，上述的参数值都是通过系统的参数扫描所得，在上述的参数范围内，该超表面结构的非对称偏振转换性能最好。

上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2平行，第一谐振器杆1.1与绝缘介质层2的长度方向呈45度夹角。对第一谐振器杆1.1与绝缘介质层2之间的夹角做了参数扫描(0～90)，仿真结果显示当夹角为45度时，非对称偏振转换的带宽最宽(724nm至745nm波段)内，偏振转换率也最大。

上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1与第二谐振器杆1.2之间的距离为270～290nm。双杆的间距在上述范围内，激发的表面等离激元强度最大，偏振转换效果最好。

上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的长度均为343nm，第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的宽度均为40nm，第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的厚度均为240nm。当厚度为240nm时，入射光的交叉偏振透过率最大，达到0.5以上。

上述技术方案中，所述绝缘介质层2为SiO₂层，绝缘介质层2的长度范围为490～510nm，绝缘介质层2的宽度范围为490～510nm。当绝缘介质层2的长和宽为上述范围时，超表面的周期谐振频率(工作频率)才在见光范围内(720～760nm)。

上述技术方案中，所述图形化的金属微纳结构底层3左侧的长边缘与绝缘介质层2底部的左侧宽边缘对齐，且图形化的金属微纳结构底层3长度等于绝缘介质层2的宽度，图形化的金属微纳结构底层3左侧的宽边缘与绝缘介质层2底部的左侧长边缘对齐，图形化的金属微纳结构底层3的长度范围为490～510mm，图形化的金属微纳结构底层3的宽度范围为130～150mm。图形化的金属微纳结构底层3的宽度会影响亚波长金属光栅层(金属微纳结构底层3)的偏振选择透过性，当宽度为上述范围时，性能最好。

一种上述宽带高透过非对称超材料偏振调控器的制作方法，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第一层金属膜(如金)，在第一层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构底层3；

步骤2：在图形化的金属微纳结构底层3上采用电子束蒸发沉积法沉积一层介质层SiO₂形成绝缘介质层2，在绝缘介质层2上采用采用电子束蒸发沉积法沉积第二层金属膜，并在第二层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构顶层1。

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(724nm-745nm)，对x-偏振光的交叉偏振透射率达到0.5以上，偏振转换率高达0.9以上，而在近红外波段(684nm至792nm)内对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。

为了表征所提出的宽带高透过超材料结构对入射线偏振光的非对称调控作用，我们通过仿真计算得到对于分别沿x和y方向传播时的线偏振光，超材料结构的偏振透射率谱线如图4和图5所示。其中图4表示偏振方向沿x方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图，同偏振透射率t_xx用黑色点划线表示，交叉偏振透射率t_yx用黑色实线来表示；其中图5表示偏振方向沿y方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图，同偏振透射率t_yy用黑色点划线表示，交叉偏振透射率t_xy用黑色实线来表示。对于x偏振光正入射情况而言，在720nm至775nm波长范围内，同偏振透射率t_xx一直接近于0，而在724nm至745nm波段内，交叉偏振透射率t_yx一直大于0.5，在733nm处取得峰值为0.52，因此，在所研究频段内，入射的x偏振光在通过宽带高透过超材料结构后大部分转换成了y偏振光，入射的x偏振光通过该材料后变成了其交叉偏振态。而对于y偏振光正入射而言，在700nm至775nm波长范围内，交叉偏振透射率t_xy一直接近于0，而在684nm至792nm波段内，同偏振透射率t_yy的数值大于0.5，在727nm处取得峰值为0.64。基于以上分析可知，所提出的宽带高透过超材料结构对于正入射的x线偏振光而言，该结构存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，而对于正入射的y线偏振光而言，只存在极弱的偏振转换功能，大部分将维持原偏振方向通过超材料结构，也就是说，该宽带高透过超材料结构对于正入射的y偏振光而言是一个开的状态，该宽带高透过超材料结构对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件如玻片等在可见光波段所产生的能量损失。

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 (7)

1.一种宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述偏振调控器包括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纳结构底层(3)、在图形化的金属微纳结构底层(3)顶面采用电子束蒸发沉积制备的绝缘介质层(2)、在绝缘介质层(2)顶面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纳结构顶层(1)；

所述图形化的金属微纳结构顶层(1)结构形状为双杆谐振器形，图形化的金属微纳结构顶层(1)能在可见光波段处发生偶极谐振，将沿x轴方向上的偏振光转化为沿y轴方向上的偏振光；

所述图形化的金属微纳结构底层(3)结构形状为长方体，图形化的金属微纳结构底层(3)用于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，并与图形化的金属微纳结构顶层(1)构成微腔，用于保证透射率的同时扩大工作带宽；

所述绝缘介质层(2)结构形状为长方体，绝缘介质层(2)的顶面和底面分别与图形化的金属微纳结构顶层(1)和图形化的金属微纳结构底层(3)形成超材料结构，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；

所述图形化的金属微纳结构顶层(1)由第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)组成，所述第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)均为长方体，且第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)的尺寸相同；

所述图形化的金属微纳结构底层(3)的亚波长金属光栅栅条沿y轴方向延伸，x轴方向为金属微纳结构底层(3)中光栅的周期变化方向，图形化的金属微纳结构顶层(1)的亚波长金属光栅栅条沿x，y轴均为周期性排列，同时在x轴方向、y轴方向和z轴方向几何尺度不同，整体呈现各向异性。

2.根据权利要求1所述的宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：图形化的金属微纳结构顶层(1)的厚度范围为230～250nm，绝缘介质层(2)的厚度范围为330～350nm，图形化的金属微纳结构底层(3)的厚度范围为14～16nm。

3.根据权利要求1所述的宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)平行，第一谐振器杆(1.1)与绝缘介质层(2)的长度方向呈45度夹角；所述第一谐振器杆(1.1)与第二谐振器杆(1.2)之间的距离为270～290nm。

4.根据权利要求1或3所述的宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)的长度均为343nm，第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)的宽度均为40nm，第一谐振器杆(1.1)和第二谐振器杆(1.2)的厚度均为240nm。

5.根据权利要求1所述的宽带高透过非对称超材料偏振调控器，其特征在于：所述绝缘介质层(2)为SiO₂层，绝缘介质层(2)的长度范围为490～510nm，绝缘介质层(2)的宽度范围为490～510。

6.根据权利要求1所述的宽带高透过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纳结构底层(3)左侧的长边缘与绝缘介质层(2)底部的左侧宽边缘对齐，且图形化的金属微纳结构底层(3)长度等于绝缘介质层(2)的宽度，图形化的金属微纳结构底层(3)左侧的宽边缘与绝缘介质层(2)底部的左侧长边缘对齐，图形化的金属微纳结构底层(3)的长度范围为490～510mm，图形化的金属微纳结构底层(3)的宽度范围为130～150mm。

7.一种权利要求1所述宽带高透过非对称超材料偏振调控器的制作方法，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第一层金属膜，在第一层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构底层(3)；

步骤2：在图形化的金属微纳结构底层(3)上采用电子束蒸发沉积法沉积一层介质层SiO₂形成绝缘介质层(2)，在绝缘介质层(2)上采用采用电子束蒸发沉积法沉积第二层金属膜，并在第二层金属膜上通过电子束刻蚀工艺制备图形化的金属微纳结构顶层(1)。

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