CN112630869B - 基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件，基于衍射手性超材料的偏振器件包括：包括：衬底、形成在所述衬底上的隔离层，以及形成在所述隔离层上的金属单元阵列层；所述金属单元阵列层包括由金属单元周期性排列形成的金属单元阵列，所述金属单元为由以左手或右手顺序排列的四个金属微结构组成的手性模块。本发明实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件，通过调节金属单元阵列的几何参数以及材料组成，能够实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的调节，同时能够实现高阶衍射光的定向发射。此外，本发明提供的基于衍射手性超材料的偏振器件基于衬底和隔离层形成，因此方便集成。

Description

基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件

技术领域

本发明涉及超材料制造技术领域，具体涉及一种基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件。

背景技术

手性是指物体通过平移、旋转等操作无法与其镜像重合。手性是自然界中无处不在的一部分，大到星系形状，小到亚原子,可以从不同的尺度上观察到，因而在生命科学、光谱学、灵敏检测、成像、生物化学和量子计算等众多领域中得到广泛应用。光学手性效应有两种常见形式：一是旋光性，即材料使入射光束的偏振状态绕传播方向旋转一定角度；二是圆二色性(circular dichroism,CD)，表现为材料对左旋圆偏振光(left circularlypolarized,LCP)和右旋圆偏振光(right circularly polarized,RCP)的不同吸收响应。

在实际应用过程中，发明人发现现有的二维手性超材料偏振器件圆二色性响应弱、出射光角度不可调控，且不易于集成。

发明内容

由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于衍射手性超材料的偏振器件，包括：衬底、形成在所述衬底上的隔离层，以及形成在所述隔离层上的金属单元阵列层；

其中，所述金属单元阵列层包括由金属单元周期性排列形成的金属单元阵列，所述金属单元为由以左手或右手顺序排列的四个金属微结构组成的手性模块。

进一步地，所述金属微结构为U型、T型、I型、E型和G型中的任意一种。

进一步地，所述金属微结构为由U型、T型、I型、E型、G型中的任意两种或多种组成的复合结构。

进一步地，所述四个金属微结构的结构相同或不同。

进一步地，所述金属单元阵列层的厚度为30nm-100nm。

进一步地，所述四个金属微结构中每两个相邻的金属微结构之间的距离小于1μm。

进一步地，所述金属单元阵列采用金、银、铜、铝或者合金形成。

进一步地，所述衬底和所述隔离层之间还设置有氧化层。

第二方面，本发明实施例提供了一种光电子器件，包括如第一方面所述的基于衍射手性超材料的偏振器件。

第三方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的制备方法，包括：

在衬底上形成隔离层；

在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层。

进一步地，在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层，包括：

采用原子沉积法在衬底表面镀上厚度为10nm的隔离层；

采用电子束蒸发法将厚度为30-100nm的金属薄膜沉积到所述隔离层上，形成金属薄膜层；

采用电子束光刻法在所述金属薄膜层制备周期排列的金属单元阵列，形成金属单元阵列层。

第四方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的使用方法，包括：

通过调节所述金属单元阵列的几何参数以及材料组成，实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的调节，和/或，实现高阶衍射光的定向发射；

其中，由所述隔离层和所述金属单元阵列层组成的二维衍射手性超材料的高阶衍射模式由金属单元阵列的近场和几何结构确定。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件及制备方法和光电子器件，包括衬底、形成在所述衬底上的隔离层，以及形成在所述隔离层上的金属单元阵列层；其中，所述金属单元阵列层包括周期性排列的金属单元阵列，所述金属单元阵列为由以左手或右手顺序排列的四个金属微结构组成的手性模块。本发明实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件，通过调节金属单元阵列的几何参数以及材料组成，能够实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的调节，同时能够实现高阶衍射光的定向发射。此外，本实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件基于衬底和隔离层形成，因此方便集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的侧剖面示意图；

图3是本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的俯视图；

图4是本发明一实施例提供的在左旋圆偏振光激发下基于E型二维手性材料的n＝1-4衍射级光束强度示意图；

图5是本发明一实施例提供的在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发下基于E型二维手性材料的n＝1-4衍射级光束的圆二色性响应示意图；

图6是本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

光学手性并非一个全新的概念。早在1811年，Arago发现线极化光穿过石英晶体时，其极化平面会发生旋转。接着Cicra和Biot在松节油和酒石酸溶液里也发现这种旋光现象。1848年，Pastuer在对旋光现象研究时指出：旋光材料的原子排列与其镜像呈现不对称分布状态，分子结构具有空间螺旋的特征，从而引入光学手性效应的概念。在下文中，手性特指光学手性。在19-20世纪，手性一直与化学联系在一起。尽管手性对于理解分子是至关重要的，但分子却并不适合研究手性。事实上，手性有不同的形式，如螺旋手性、螺旋桨手性、超分子手性、外源手性等，而这些都依赖于手性参数。理想情况下，我们希望能改变这些参数，从而实现手性系统从一种形式到另一种形式的过渡。然而，控制原子大小、化学键长度和轨道方向是很困难的。此外，天然物质的手性响应由于电磁相互作用小而相对较弱，这对材料手性的探测、表征和应用造成了限制和挑战。

表面等离子体光子学的最新进展为增强手性响应带来了新方法。表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，SPP)，作为在金属界面处的集体电子振荡，具有限制光和增强场的能力，因而能增大光与物质相互作用的强度。得益于纳米制造工艺的发展，手性材料的研究领域已从传统的手性分子扩展到超材料。超材料是通过人工精心设计的亚波长结构，可以有效耦合入射光并针对其圆极化特性产生不同响应，同时可以实现手性参数的调节。与自然界中的手性介质相反，金属手性超材料具有较强的光学手性，这是因为局部表面等离激元的共振极大地促进了光与物质相互作用，进而显著地增强了手性光学响应。

根据手性超材料的维度，可将其分为二维和三维两种。由于电和磁谐振模式之间的强相互作用，三维手性超材料表现出巨大的光学手性响应。二维手性超材料具有以下优点：一是能产生比具有相似厚度的分子膜大几个数量级的手性效应；二是可以非常精确地定位在基材表面上，利用晶格和Fano共振来增加手性响应；三是其光学近场可通过扫描探针技术获得，该技术可在实验映射中提供高分辨率。因此，与三维手性超材料相比，二维手性超材料更适合于探索光学手性响应，同时也有利于制造具有光学损耗小、尺寸紧凑、与CMOS铸造工艺高度兼容的纳米器件。值得一提的是，圆二色性光谱是研究二维手性超材料中光学手性最常用的方法之一。

然而目前的二维手性超材料的研究仍有以下不足，难以直接运用于高性能的片上偏振器件：(1)大多数二维手性超材料器件采用的单元格为单一的形状结构，且只研究其零阶或者一阶的圆二色性响应，不利于调控器件灵敏度、工作频率和出射光角度；(2)目前，衍射手性超材料也成为研究光学手性的一个重要平台，其高阶衍射光束的圆二色性响应通常远大于零阶的情况，然而学术界和工业界却很少对具有大量手性参数的衍射超材料进行全面的研究；在实际应用过程中，发明人发现现有的二维手性超材料偏振器件圆二色性响应弱、出射光角度、工作波长不可调控，且不易于集成，为解决上述问题，本发明提供了一种基于衍射手性超材料的偏振器件。下面将结合附图和具体实施例对本发明提供的方案进行详细解释和说明。

图1示出了本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的结构示意图，图2是本发明一实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件的侧剖面示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于衍射手性超材料的偏振器件，包括：衬底101、形成在所述衬底101上的隔离层103，以及形成在所述隔离层103上的金属单元阵列层104；

其中，所述金属单元阵列层104包括由金属单元周期性排列形成的金属单元阵列，所述金属单元为由以左手或右手顺序排列的四个金属微结构组成的手性模块。

其中，在一种实现方式下，所述衬底101和所述隔离层103之间还设置有氧化层102。

在本实施例中，所述衬底101可以由硅形成，所述氧化层102可以由二氧化硅形成，所述隔离层103可以由铬或者氧化铝(Al₂O₃)形成，所述金属单元阵列可以由金、银、铜、铝或者合金形成。

在本实施例中，所述金属微结构可以为U型、T型、I型、E型和G型中的任意一种。此外，所述金属微结构也可以为由U型、T型、I型、E型、G型中的任意两种或多种组成的复合结构，如图1所示，金属微结构是E型结构。

在本实施例中，需要说明的是，所述四个金属微结构的结构可以相同，也可以不同，本实施例对此不作限定。

在本实施例中，所述金属单元阵列层的厚度为30nm-100nm。

在本实施例中，需要说明的是，金属单元阵列层的厚度在30-100nm之间，使得金属单元阵列层能呈现出强光学手性特征的同时，也能保证器件本身是超薄器件。

在本实施例中，四个金属微结构中每两个相邻的金属微结构之间的距离小于1μm。在本实施例中，需要说明的是，四个金属微结构中每两个相邻的金属微结构之间的距离小于1μm，使得每两个相邻的金属微结构之间的耦合相互作用强，因而保证其近场电场模式足够强，进而能决定远场的衍射光模式。

在本实施例中，所述氧化层的厚度可以为200nm，所述隔离层的厚度可以为10nm。

在本实施例中，需要说明的是，由所述隔离层和所述金属单元阵列组成的二维衍射手性超材料的高阶衍射模式由其近场和几何结构确定，通过调节所述金属单元阵列的几何参数以及材料组成，实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的有效调节，同时也能实现高阶衍射光的定向发射。

在本实施例中，所述金属单元阵列包括四个金属微结构，分别为第一金属微结构、第二金属微结构、第三金属微结构和第四金属微结构，四个金属微结构按照左手或者右手方式排列，特定波长的圆偏振光从所述偏振器件垂直入射，依次经过金属阵列层、衬底层，在金属阵列层产生1-4阶高阶衍射束；特别地，虽然三阶衍射光束的强度最弱，但其圆二色性响应最强，比0-1阶光束高3-5倍，本实施例能有效解决现有技术中不能简单快速地对手性超材料的圆二色性和工作频率进行调控的问题，能获得较大的衍射角度范围。该偏振器件结构简单，工作波长大，偏振灵敏度高，大大提高光学超材料器件性能，此外，基于二维衍射手性超材料的新型偏振器件能够与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，从而提高了集成度。

需要说明的是，本实施例形成的二维衍射手性超材料是垂直入射倾斜出射的新型偏振器件。如图1所示，例如，当圆偏振激光采用垂直于一维介质光栅上表面的方向入射该二维衍射手性超材料时，其产生的高阶衍射光束是倾斜于二维金属单元阵列上表面，这样实现的偏振器件主要为倾斜出射的超薄偏振器件。该超薄偏振器件工作范围是可见光至近红外，并具备高灵敏度的特点。这种出射方式为基于衍射手性超材料的新型偏振器件与其他光电子器件在片上集成提供了很好的思路。

可以理解的是，本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件，能够解决现有技术中二维手性超材料偏振器件圆二色性响应弱、出射光角度、工作波长不可调控且不易于集成的问题。

下面结合图3、图4和图5对本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件进行详细解释说明。如图3所示，金属单元阵列层包含沿着X轴和Y轴方向周期性排列的金属单元阵列。金属单元阵列中的金属单元包含以左手或右手顺序排列的四个金属微结构，所述金属微结构为U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性结构；所述金属单元阵列由金、银、铜、铝或者合金形成。通过调节金属单元的周期为a、金长l、金宽w、间隙g、桥长l_b，以及改变金属单元的材料组成，使得由氧化层、隔离层和金属阵列层组成的二维手性超材料的形状和近场模式发生变化，从而影响和改变高阶衍射光子模式；当二维手性超材料的形状越复杂，其近场模式也越复杂，包含的高阶衍射光子模式也越多。当二维手性超材料的形状和结构参数满足一定的规律时，金属单元阵列的表面等离子体激元模式(SPP)会增强光与物质相互作用，从而增强这种二维手性超材料在可见光和近红外波段的高阶衍射圆二色性响应，同时也能实现高阶衍射光的定向发射，且出射光的出射角度可调控。

需要说明的是，衬底通常由硅形成，氧化层由二氧化硅形成，隔离层用于防止金属单元阵列和氧化层为之间发生电荷转移。金属单元阵列由金、银、铜、铝或者合金形成，其单元格结构包括通过微纳加工形成的四个金属微结构，且其微纳加工精度在5nm之内。四个金属微结构为U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性结构，本实施例对此不做具体限制。

由此可见，本实施例提供了一种基于衍射手性超材料的新型偏振器件，在衬底上形成氧化层，在氧化层上形成隔离层，在隔离层上形成金属单元阵列。其中，所述金属单元阵列包括多个阵列分布的金属单元，所述金属单元包括第一金属微结构、第二金属微结构、第三金属微结构和第四金属微结构，所述四种金属微结构按照左手或者右手方式排列。特定波长的圆偏振光从所述器件垂直入射，依次经过金属阵列层、衬底层，在金属阵列层产生1-4阶高阶衍射束；特别地，虽然三阶衍射光束的强度最弱，但其圆二色性响应最强，能比0-1阶光束高3-5倍。本发明能有效解决现有技术中不能简单快速地对手性超材料的圆二色性和工作频率进行调控的问题，能获得较大的衍射角度范围。该偏振器件结构简单，工作波长大，偏振灵敏度高，大大提高光学超材料器件性能。且基于二维衍射手性超材料的新型偏振器件能够与高度成熟的基于硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。

在本实施例中，需要说明的是，表面等离子体光子学的最新进展为增强手性响应带来了新方法，表面等离子体激元(SPP)，作为在金属界面处的集体电子振荡，具有限制光和增强场的能力，因而能增大光与物质相互作用的强度，得益于纳米制造工艺的发展，手性材料的研究领域已从传统的手性分子扩展到超材料。超材料是通过人工精心设计的亚波长结构，可以有效耦合入射光并针对其圆极化特性产生不同响应，同时可以实现手性参数的调节。值得注意的是，与自然界中的手性介质相反，金属手性超材料具有较强的光学手性，这是因为局部表面等离激元的共振极大地促进了光与物质相互作用，进而显著地增强了手性光学响应。

其次，根据手性超材料的维度，可将其分为二维和三维两种。由于电和磁谐振模式之间的强相互作用，三维手性超材料表现出巨大的光学手性响应。二维手性超材料具有以下优点：一是能产生比具有相似厚度的分子膜大几个数量级的手性效应；二是可以非常精确地定位在基材表面上，利用晶格和Fano共振来增加手性响应；三是其光学近场可通过扫描探针技术获得，该技术可在实验映射中提供高分辨率。因此，与三维手性超材料相比，二维手性超材料更适合于探索光学手性响应，同时也有利于制造具有光学损耗小、尺寸紧凑、与CMOS铸造工艺高度兼容的纳米器件。也就是说由金属材料构成的二维手性超材料更有利于强圆二色性响应的产生，容易实现高灵敏度的偏振器件。

进一步地，在上述各实施例的基础上，所述金属单元阵列层为二维周期性的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性结构。

图1和图3中的金属单元阵列层为二维周期性的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性结构，在实际制造过程中，可以采用横截面为不同形状的结构形成金属微结构，只要能够使得制造的二维衍射手性超材料形成强圆二色性即可。

在本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件中，金属单元阵列层为二维周期性的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性结构。由于二维金属手性超材料具有以下优点：一是能产生比具有相似厚度的分子膜大几个数量级的手性效应；二是可以非常精确地定位在基材表面上，利用晶格和Fano共振来增加手性响应；三是其光学近场可通过扫描探针技术获得，该技术可在实验映射中提供高分辨率。使其能够显著调节高阶衍射光束模式，从而大大改善了对左右旋圆偏振光的灵敏度，实现基于衍射手性超材料的新型偏振器件。当金属单元阵列的表面产生等离子体激元模式(SPP)时，在相应界面上会形成高度集中的光场，导致光与物质相互作用显著加强，从而增大二维手性超材料在可见光和红外波段的高阶衍射圆二色性响应，同时也能实现高阶衍射光的出射角度可调控。

进一步地，在上述各实施例的基础上，如图2所示，所述衬底由硅形成，所述氧化层由二氧化硅形成，所述隔离层由铬或者Al₂O₃形成，所述金属单元阵列由金、银、铜、铝或者合金形成。

为了说明本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件的高阶衍射强圆二色性响应、定向发射和可调控特点，本实施例以按左手方式排列的E型金属阵列形成新型偏振器件器件。图4为本实施例提供的基于硅衬底、SiO₂氧化层、Cr隔离层和二维E构型金纳米阵列n＝1-4衍射级光强随左旋圆偏振光(LCP)波长(400nm-1100nm)和出射角度(0°-90°)变化的色散谱。此处，E型金属阵列的单位周期为a＝2.4um，金长l＝1um，金宽w＝0.2um,间隙g＝0.2um，金桥长度l_b＝0.4um。如图4所示，高阶衍射光的强度以温度计编码的图案显示，其中横轴是波长(400nm-1100nm)，纵轴是不同阶衍射光束的角度。在n＝1-4阶衍射光束中，二阶衍射光强最大，而三阶衍射光强最小。此外，在高阶衍射光束的空间分布方面，引入了简单光栅的类比，它似乎遵循a·sinθ＝n·λ的关系，其中a是单位周期，θ是衍射角，n是衍射级。因此，可以通过改变手性参数来实现对二维衍射手性超材料中高阶衍射光束的空间分布的调控和优化。

图5为本实施例提供的基于硅衬底、SiO₂氧化层、Cr隔离层和二维E构型金纳米阵列在左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)激发下，n＝1-4衍射级光束的圆二色性响应随激发光波长(400nm-1100nm)和出射角度(0°-90°)变化的色散谱。此处，E型金属阵列的单位周期为a＝2.4um，金长l＝1um，金宽w＝0.2um,间隙g＝0.2um，金桥长度l_b＝0.4um。如图5所示，在n＝1-4阶衍射光束情况下，三阶衍射光束具有最大的圆二色性响应，而一阶、二阶衍射光几乎不显示圆二色性响应，四阶衍射光束在激发光波长超过550nm时显示出较弱的圆二色性响应。重要的是，圆二色性响应在数学上的定义是CD＝(I_RCP–I_LCP)/(I_LCP+I_RCP)，其中I_LCP和I_RCP分别是左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)照射下的高阶衍射光束强度。此外，在二维衍射手性超材料中，三阶衍射光束具有最大的圆二色性响应都呈现出明显的、复杂的双信号特征(即圆二色性响应CD的值有正有负)。因此，可以通过改变手性参数来实现对二维衍射手性超材料中高阶衍射光束的圆二色性响应的调控和优化。

本发明另一实施例提供了一种光电子器件，该光电子器件包括如上面实施例所述的基于衍射手性超材料的偏振器件。

在本实施例中，光电子器件可以为片上偏振器件，也可以是包含片上偏振器件的电子器件。举例来说，这里的光电子器件可以是光谱仪、探测器等器件，当然也可以是其他包含了基于衍射手性超材料的偏振器件的光电子器件，本实施例对此不作限制。

在本实施例中，需要说明的是，由于本实施例提供的光电子器件包括上述实施例所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，因此其工作原理和有益效果类似，此处不再赘述，具体可参见上述实施例的介绍。

本发明另一实施例提供了一种如上述实施例所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的制备方法，参见图6，包括如下步骤：

步骤101：在衬底上形成隔离层。

步骤102：在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层。

在本实施例中，在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层，可以采用如下方式实现：

采用原子沉积法在衬底表面镀上厚度为10nm的隔离层；

采用电子束蒸发法将厚度为30-100nm的金属薄膜沉积到所述隔离层上，形成金属薄膜层；

采用电子束光刻法在所述金属薄膜层制备周期排列的金属单元阵列，形成金属单元阵列层。

在本实施例中，还可以在所述衬底上形成厚度为200nm的所述氧化层，然后在所述氧化层上形成厚度为10nm的所述隔离层，然后在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层。

本实施例提供的制备方法将二维周期性的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性金属纳米结构与隔离层、氧化层、硅衬底按照一定顺序垂直堆叠形成二维衍射手性超材料，可以产生较强的圆二色性响应。二维周期性金属纳米结构能产生表面等离子体激元(SPP)，有效地增强的高阶衍射光束对应的圆二色性，并能较好地调控高阶衍射光束的出射角度。

在本实施例中，所述衬底由硅形成，所述氧化层由二氧化硅形成，所述隔离层由铬或者氧化铝(Al₂O₃)形成，所述金属单元阵列由金、银、铜、铝或者合金形成。可以采用如下方法形成基于衍射手性超材料的新型偏振器件，包括：

首先，采用原子沉积法将10nm厚度的铬或者氧化铝薄膜沉积在硅衬底上；

其次，采用电子束蒸发法将30-100nm厚度的金属薄膜沉积到隔离层上；

最后，在金属薄膜层上，使用电子束光刻技术制备具有二维周期性的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性金属纳米结构，完成基于衍射手性超材料的新型偏振器件的制作。

其中，实验中需要选择合适的泵浦光波长以及角分辨反射谱测量装置，用以实现表面等离子体激元(SPP)作用下的高阶衍射光束对应的圆二色性增强和出射角度的可调控。本实施例形成的二维衍射手性超材料是垂直入射倾斜出射的新型偏振器件。如图1所示，例如，当圆偏振激光采用垂直于一维介质光栅上表面的方向入射该二维衍射手性超材料时，其产生的高阶衍射光束是倾斜于二维金属单元阵列上表面，这样实现的偏振器件主要为倾斜出射的超薄偏振器件。该超薄偏振器件工作范围是可见光至近红外，并具备高灵敏度的特点。这种出射方式为基于衍射手性超材料的新型偏振器件与其他光电子器件在片上集成提供了很好的思路。

在制造本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件的过程中，氧化层、隔离层和金属单元阵列组成的二维衍射手性超材料的高阶衍射模式由其近场和几何结构确定；通过调节所述金属单元阵列的几何参数以及材料组成，实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的有效调节，同时也能实现高阶衍射光的定向发射。

通过设计合适的二维金属单元阵列结构，利用表面等离子体激元模式(SPP)增强光与物质相互作用，从而增强这种二维手性超材料在可见光和近红外波段的高阶衍射圆二色性响应，同时也能实现高阶衍射光的定向发射，且出射光的出射角度可调控。不同于简单的一维光栅结构，二维金属单元阵列结构的几何构型和材料成分决定了其近场光场模式和远场的高阶衍射光子模式。此处，二维金属单元阵列结构的设计也需要考虑实验条件，如选取的圆偏振激发光波长，要正好对应于所设计的二维金属单元阵列结构的响应波长范围。这些设计可以采用有限元算法或时域有限差分法进行数值计算模拟得到合适的参数。此外，在微纳加工二维金属单元阵列结构时，应该选择高质量的金属薄膜。

本实施例提供了一种片上偏振器件，包括以上任一项所述的基于衍射手性超材料的新型偏振器件。

当图1中的基于衍射手性超材料的新型偏振器件用作片上偏振器件时，衬底由硅形成，氧化层由二氧化硅形成，隔离层由铬或者氧化铝(Al₂O₃)形成，金属单元阵列由金、银、铜、铝或者合金形成时，该片上偏振器件的结构从下到上依次包括：

硅衬底；

氧化层二氧化硅薄膜，位于硅衬底的上方，二氧化硅薄膜厚度为200nm；

隔离层铬薄膜或者Al₂O₃薄膜，位于二氧化硅薄膜和二维金属单元阵列层之间，用于二氧化硅薄膜和二维金属单元阵列层间的电荷转移；

二维金属单元阵列层，由二维周期性排列的U型、T型、I型、E型、G型或者其他的手性金属纳米结构构成。二维金属单元阵列层制作在环境空气中，下与隔离层相连。该二维金属单元阵列层产生表面等离子体激元模式(SPP)，增强光与物质相互作用，从而显著提高在可见光和近红外波段的高阶衍射圆二色性响应，同时也能实现高阶衍射光的定向发射和可调控，最终实现片上偏振器件的功能。

本实施例提供了一种与CMOS兼容的光电子器件，包括以上所述的片上偏振器件。

本实施例提供的片上偏振器件和与CMOS兼容的光电子器件，利用二维衍射手性超材料用作片上偏振器件，可以实现高阶衍射光束的圆二色性响应强弱可调节，同时也能实现高阶衍射光的定向发射和可调控。可以有效解决现有技术中不能简单快速地对手性超材料的圆二色性和工作频率进行调控的问题，能获得较大的衍射角度范围。该偏振器件结构简单，工作波长范围广，偏振灵敏度高，对高性能的片上偏振器件的实现、集成化以及多功能化的提升意义重大，对于片上光互联、片上光源和未来高性能计算机的发展意义重大。

本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件实现了表面等离子激元效应，使得高阶衍射的圆二色性和器件灵敏度都显著提高。二维金属单元阵列具有超快响应速率，保证了片上偏振器件的快速调制。三阶衍射光束具有较强的光学手性特征，保证了该二维衍射手性超材料的定向出射且方向的可调调控。此外，该片上偏振器件的工作波长在可见光和近红外，并具备高灵敏度的特点。由于该二维衍射手性超材料，因而易于与CMOS工艺集成。

综上，本实施例提供的基于衍射手性超材料的新型偏振器件利用氧化层、隔离层与二维金属单元阵列构成二维衍射手性超材料，实现在可见光和近红外波段范围内的高阶衍射光束的强圆二色性响应，且其出射方向可调控。通过设计合适的二维金属单元阵列结构，利用表面等离子体激元模式(SPP)增强光与物质相互作用，从而增强这种二维手性超材料在可见光和近红外波段的高阶衍射圆二色性响应，同时也能实现高阶衍射光的定向发射，且出射光的出射角度可调控。不同于简单的一维光栅结构，二维金属单元阵列结构的几何构型和材料成分决定了其近场光场模式和远场的高阶衍射光子模式。此处，二维金属单元阵列结构的设计也需要考虑实验条件，如选取的圆偏振激发光波长，要正好对应于所设计的二维金属单元阵列结构的响应波长范围。这些设计可以采用有限元算法或时域有限差分法进行数值计算模拟得到合适的参数。此外，在微纳加工二维金属单元阵列结构时，应该选择高质量的金属薄膜，且其微纳加工精度应该在5nm之内。该设计方案能大大增强圆二色性响应和偏振灵敏度，能有效解决现有技术中不能简单快速地对手性超材料的圆二色性和工作频率进行调控的问题，能获得较大的衍射角度范围，对于片上光互联、片上光电子器件和未来高性能计算机的发展意义重大。

本发明另一实施例还提供了一种如上述实施例所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的使用方法，包括：

通过调节所述金属单元阵列的几何参数以及材料组成，实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的调节，和/或，实现高阶衍射光的定向发射；

其中，由所述隔离层和所述金属单元阵列层组成的二维衍射手性超材料的高阶衍射模式由金属单元阵列的近场和几何结构确定。

由此可见，本发明提供了一种基于衍射手性超材料的新型偏振器件及其制造方法和使用方法，该器件包括衬底，位于衬底上的氧化层，位于氧化层上的隔离层，以及位于隔离层上的能产生光学手性响应的金属单元阵列。所述金属单元阵列包括多个阵列分布的金属单元，所述金属单元包括第一金属微结构、第二金属微结构、第三金属微结构和第四金属微结构，所述四种金属微结构按照左手或者右手方式排列。特定波长的圆偏振光从所述器件垂直入射，依次经过金属阵列层、衬底层，在金属阵列层产生1-4阶高阶衍射束；特别地，虽然三阶衍射光束的强度最弱，但其圆二色性响应最强，能比0-1阶光束高3-5倍。本发明能有效解决现有技术中不能简单快速地对手性超材料的圆二色性和工作频率进行调控的问题，能获得较大的衍射角度范围。该偏振器件结构简单，工作波长大，偏振灵敏度高，大大提高光学超材料器件性能。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，包括：衬底、形成在所述衬底上的隔离层，以及形成在所述隔离层上的金属单元阵列层；

其中，所述金属单元阵列层包括由金属单元周期性排列形成的金属单元阵列，所述金属单元为由以左手或右手顺序排列的四个金属微结构组成的手性模块；

所述衬底和所述隔离层之间设置有氧化层，所述隔离层用于防止所述金属单元阵列和所述氧化层之间发生电荷转移；

所述隔离层和所述金属单元阵列层组成二维衍射手性超材料，所述金属单元阵列的近场和几何结构确定所述二维衍射手性超材料的高阶衍射模式。

2.根据权利要求1所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，所述金属微结构为U型、T型、I型、E型和G型中的任意一种；

或，所述金属微结构为由U型、T型、I型、E型、G型中的任意两种或多种组成的复合结构。

3.根据权利要求1或2所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，所述四个金属微结构的结构相同或不同。

4.根据权利要求1或2所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，所述金属单元阵列层的厚度为30nm-100nm。

5.根据权利要求1或2所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，所述四个金属微结构中每两个相邻的金属微结构之间的距离小于1μm。

6.根据权利要求1或2所述的基于衍射手性超材料的偏振器件，其特征在于，所述金属单元阵列采用金、银、铜、铝或者合金形成。

7.一种光电子器件，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的基于衍射手性超材料的偏振器件。

8.一种如权利要求1～6任一项所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成隔离层；

在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述隔离层上形成所述金属单元阵列层，包括：

采用原子沉积法在衬底表面镀上厚度为10nm的隔离层；

采用电子束蒸发法将厚度为30-100nm的金属薄膜沉积到所述隔离层上，形成金属薄膜层；

采用电子束光刻法在所述金属薄膜层制备周期排列的金属单元阵列，形成金属单元阵列层。

10.一种如权利要求1～6任一项所述的基于衍射手性超材料的偏振器件的使用方法，其特征在于，包括：

通过调节所述金属单元阵列的几何参数以及材料组成，实现对高阶衍射光束的圆二色性强弱的调节，和/或，实现高阶衍射光的定向发射；

其中，由所述隔离层和所述金属单元阵列层组成的二维衍射手性超材料的高阶衍射模式由金属单元阵列的近场和几何结构确定。

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