CN113267901A - 基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件。它是由一层金属反射层、一层折射率可调控材料和一层手性结构（平面各向异性结构）组成。本发明主要基于微腔干涉效应，通过在平面各向异性手性超材料与金属反射层之间的微腔中填充不同的折射率可调控材料，对折射率可调控材料施加外加激励（如电、光、热、湿度等），动态调控材料的折射率，改变微腔的干涉效应，进而实现线偏振光、椭圆偏振光、和圆偏振光之间的连续调控。其优点在于偏振调控便捷、器件的尺寸小、可集成度高，器件加工与现有集成工艺兼容，工作波长可在紫外到毫米波段任意调控。本发明在立体显示、偏振照明等领域都具有广泛的应用前景。

Description

基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体是指一种基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件。
背景技术
偏振态是电磁波的重要特征参量之一，在偏振成像、生物分子探测和通信等领域具有非常高的应用价值。例如通过获取被测目标与背景的光波偏振态信息，用于实现探测隐蔽物和防伪识别；通过利用不同偏振态的电磁波与发射、接收天线偏振特性相结合，用于获取最佳通信信号；通过利用电磁波偏振态的选择进行雷达抗干扰研究等。为了获取光的偏振态，我们常常借助于光偏振器件，如线偏振片。当光通过线偏振片时，通常会损失近一半的入射光能量，这就需要我们需求一种新的机制减少能量的损失。
传统偏振调控器件大多是由晶体和高分子聚合物等材料制作。利用晶体和高分子聚合物中的双折射效应和全反射效应，研制出多种线偏振片，用于实现线偏振光和圆偏振光的调控。但此类材料对于高频的电磁响应较低，为了实现良好的偏振调控效果，通常制成的偏振调控器件体积庞大，结构尺寸远大于电磁波的响应波段，且工作波段窄、成本高、难以集成，无法满足通信、成像、光谱技术在可见光及太赫兹波段未来日益迫切的需求。此外，基于手性超材料结构的偏振调控器件，都只能实现固定波段的手性光学效应，无法实现大范围内的偏振调控，进而限制了手性超材料在偏振照明和显示方向的应用。
综上所述，本发明提供一种基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件，能实现光的偏振态的动态调控，具有偏振调控便捷、器件的尺寸小、可集成度高，器件加工与现有集成工艺兼容、工作波段方便可调等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件，具有在实现主动调控光的偏振态的能力，打破以往只能实现固定波段偏振调控的难题，立体显示、偏振照明等领域都具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明所设计的基于各向异性手性超材料的动态偏振调控器件，由一层金属反射层、一层折射率可调控材料和一层手性结构（平面各向异性结构）组成。所述的手性结构层为各向异性手性结构，能破坏光在传播上的对称性，当入射光与各向异性的手性结构相互作用时能产生非常大的吸收差异，从而造成偏振光的转换差异。
所述的各向异性手性结构层与金属反射层之间形成F-P谐振腔，实现偏振转换的同时提高偏振转换效率。
所述的各向异性手性结构层与金属反射层之间的F-P腔中填充不同的折射率可调控材料，并对折射率可调控材料施加外加激励（如电、光、热、湿度等），可以动态调控材料的折射率，改变微腔干涉效应，进而实现线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光之间的连续调控。
本发明中平面各向异性手性结构与金属反射层之间形成F-P谐振腔，用于保证工作宽带的同时提高反射率。
本发明通过入射光在各向异性手性结构与金属反射层之间形成的微腔干涉效应，可以实现接近1的非常大的圆转换二向色性，从而实现光的偏振态接近为圆偏振光。
本发明通过在各向异性手性结构与金属反射层之间的微腔中填充不同折射率可调控材料，对材料施加外加激励（如电、光、热、湿度等），可以实现线偏振光、椭圆偏振光、和圆偏振光之间的连续调控。
本发明根据各向异性手性结构的几何特性，可以通过改变人工手性结构的单元尺寸来调控手性超材料的电磁谐振，可以实现工作波段可在紫外到红外波段的偏振调控。
附图说明
图1为各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件的三维结构示意图。
图2为各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件的三维结构示意图。
图3为各向异性手性超材料的动态偏振调控器件的俯视图。
图4为各向异性手性超材料的动态偏振调控器件中光与微腔相互作用的示意图。
其中，1—衬底、2—粘合增进层、3—金属反射层、4—折射率可调控材料、5—手性结构层、6—透明电极层、 7—左旋圆偏光、8—右旋圆偏光。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作详细说明。
在本发明各向异性手性超材料动态偏振调控器件中，真正起偏振转换作用的是各向异性的手性结构层，并与金属反射层形成一个F-P谐振腔，增强光在微腔中的耦合作用；真正起动态调控作用的是折射率可调控材料，通过对材料外加激励，可以动态调控材料的折射率，改变微腔干涉效应，实现线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光之间的连续调控。
实施例一如图1所示，基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，所述的动态偏振调控器件包括采用衬底1、位于衬底上的粘合增进层2、位于粘合增进层上金属反射层3、位于金属反射层上的折射率可调控材料4、位于折射率可调控材料层上的手性结构层5。当左旋圆偏光正入射到手性结构层5时，只有一部分光可以转换为交叉分量右旋圆偏光，经金属反射层3反射为左旋圆偏光，然后经手性结构层5透射为右旋圆偏光，而剩余的左旋圆偏光再次被金属层3反射，并返回与手性结构顶层5相互作用，其交叉偏振反射率有显著提升。然后，金属反射层3反射的光将由手性结构层5再次选择。光在手性结构层5与金属反射层3之间来回反射，产生F-P腔，最终产生增强的交叉偏振分量即右旋圆偏光。
所述的手性结构层5为平面各向异性手性结构，只有各向异性的手性结构才能实现对入射光的偏振转换作用，将部分左旋圆偏光转换为右旋圆偏光（或右旋圆偏光转换为左旋圆偏光）。
所述的折射率可调控材料4为相变材料，直接对器件施加外加无源激励（如光、热、湿度等），可以动态调控材料的折射率，改变微腔的干涉效应，实现线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光之间的连续调控。
所述的金属反射层3相当于反射镜的作用，与各向异性手性结构顶层5构成微腔，用于保证反射率的同时扩大工作宽带。
所述的金属反射层3可以由单种金属、类金属或金属复合材料构成，且厚度为100～300nm，能充当于反射镜的作用，且不易从衬底表面脱落。当金属反射层厚度大于400nm，容易与衬底结合不牢而脱落。
所述的金属反射层3与手性结构层5之间形成微腔，用于保证反射率的同时扩大工作宽带。
所述的粘合增进层2为一层铬膜，用于衬底1与金属反射层3之间的紧密性，特在衬底上沉积一层Cr膜，作为粘合增进层，且膜的厚度为1～5nm的粘合效果最好。
实施例二除此以上所述基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控之外，偏振调控器件还可以用有源的方法进行动态偏振调控。如图2所示，基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，所述的动态偏振调控器件包括采用衬底1、位于衬底上的粘合增进层2、位于粘合增进层上金属反射层3、位于金属反射层上的折射率可调控材料4、位于折射率可调控材料层上的透明电极层6和位于透明电极层上的手性结构层5。当左旋圆偏光正入射到手性结构层5时，只有一部分光可以转换为交叉分量右旋圆偏光，经金属反射层3反射为左旋圆偏光，然后经手性结构层5透射为右旋圆偏光，而剩余的左旋圆偏光再次被金属层3反射，并返回与手性结构顶层5相互作用，其交叉偏振反射率有显著提升。然后，金属反射层3反射的光将由手性结构层5再次选择。光在手性结构层5与金属反射层3之间来回反射，产生F-P腔，最终产生增强的交叉偏振分量即右旋圆偏光。
所述的手性结构层5为周期性排列的平面各向异性手性结构，只有各向异性的手性结构才能实现对入射光的偏振转换作用，将部分左旋圆偏光转换为右旋圆偏光（或右旋圆偏光转换为左旋圆偏光）。
所述的透明电极层6为透明电极ITO等材料，且厚度为10～30nm,电极层ITO几乎透明，保证了大部分光的透射率。ITO电极层与金属反射层作为上下电极层，用于施加外加电压。
所述的折射率可调控材料4为压电材料，通过对上下电极施加电压，可以动态调控压电材料的折射率，改变微腔的干涉效应，实现线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光之间的连续调控，实现有源的动态调控。
所述的金属反射层3可以由单种金属、类金属或金属复合材料构成，且厚度为100～300nm，能充当于反射镜的作用，且不易从衬底表面脱落。当金属反射层厚度大于400nm，容易与衬底结合不牢而脱落。
所述的金属反射层3与手性结构层5之间形成微腔，用于保证反射率的同时扩大工作宽带。
所述的粘合增进层2为一层铬膜，用于衬底1与金属反射层3之间的紧密性，特在衬底上沉积一层Cr膜，作为粘合增进层，且膜的厚度为1～5nm的粘合效果最好。
如图3所示，所述的手性结构层5为周期性排列的手性结构，在x，y轴方向呈周期性排列。同时，在x轴方向、y轴方向和z轴方向几何尺度不同，呈现各向异性（上述的x和y轴为各向异性手性结构的宽度和长度方向，z轴为各向异性手性结构的厚度方向）。所述的手性结构5具有较大的圆转换差异，对于左旋圆偏光入射可被转换为偏振方向相反的右旋圆偏光，并具有很高的转化率，而对于右旋圆偏光入射时对偏振转换有很高的阻隔。
上述的技术方案中，所述的折射率可调控材料4的顶层与手性结构5层形成超材料结构，光入射时，电磁场与手性结构层5内等离子体耦合振荡激发表面等离极化激元，只有激发各向异性手性结构的表面等离激元，才能对入射光的偏振态进行调控。同时，通过对折射率可调控材料施加外加激励（如电、光、热、湿度等），改变微腔的干涉效应，从而对入射光的偏振态进行动态调控，打破了以往只能实现固定偏振态的局面。
如图4所示，动态偏振调控器件中光与微腔相互作用时，当左旋圆偏光7和右旋圆偏光8正入射到手性结构层5时，只有一部分左旋圆偏光7可以转换为交叉分量右旋圆偏光，经金属反射层3反射为左旋圆偏光，然后经手性结构层5透射为右旋圆偏光；同理，只有部分右旋圆偏光7可以转换为交叉分量左旋圆偏光，经金属反射层3反射为右旋圆偏光，然后经手性结构层5透射为左旋圆偏光，只是手性结构对左右旋圆偏光的吸收不一样，造成左右旋圆偏光的转换差异。
上述的技术方案中，所述的折射率可调控材料4的顶层与各向异性手性结构5形成超材料结构，光入射时，电磁场与各向异性手性结构5内电子等离子体耦合振荡激发表面等离极化激元，只有激发各向异性手性结构的表面等离激元，才能对入射光的偏振态进行调控。同时，通过对折射率可调控材料施加外加激励（如电、光、热、湿度等），改变微腔的干涉效应，从而对入射光的偏振态进行动态调控，打破了以往只能实现固定偏振态的局面。
需要指出的是，上面所述只说明了本发明的一些原理，对于具体的结构参数为做详细说明。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (15)

1.一种基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：由衬底（1）、位于衬底上的粘合增进层（2）、位于粘合增进层上的金属反射层（3）、位于金属反射层上的折射率可调材料（4）以及位于折射率可调材料上的手性结构层（5）构成；金属反射层与手性结构层构成F-P腔，用于增强光在微腔中的来回共振；
所述的手性结构层为周期性排列的各向异性手性结构，在纳米到微米的波长范围内，实现光的偏振转换。
2.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的衬底（1）为与金属反射层相同的材料或非金属材料构成。
3.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的粘合增进层（2）材料为铬（Cr）,且厚度为1～5nm。
4.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的金属反射层（3）为单种金属、类金属或金属复合材料构成，且厚度为100～300nm。
5.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的折射率可调材料层（4）由相变材料构成，对相变材料所施加的激励手段为光、热、湿度等。
6.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的手性结构层（5）为平面各向异性手性结构。
7.如权利要求1所述的基于各向异性手性超材料的无源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的手性结构层（5）的组成材料为金、银、铜、铝、二氧化硅等材料。
8.一种基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：由衬底（1）、位于衬底上的粘合增进层（2）、位于粘合增进层上的金属反射层（3）、位于金属反射层上的折射率可调材料（4）、位于折射率可调材料上的透明电极层（6）以及位于透明电极层上的手性结构层（5）构成；金属反射层与透明电极层构成外加电压的上下电极，用于施加外加电压；金属反射层与手性结构层构成F-P腔，用于增强光在微腔中的来回共振；
所述的手性结构层为周期性排列的各向异性手性结构，在纳米到微米的波长范围内，实现光的偏振转换。
9.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的衬底（1）为与金属反射层相同的材料或非金属材料构成。
10.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的粘合增进层（2）材料为铬（Cr）,且厚度为1～5nm。
11.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的金属反射层（3）为单种金属、类金属或金属复合材料构成，且厚度为100～300nm。
12.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述折射率可调材料层（4）由压电材料构成，对压电材料施加外加电压，可以改变压电材料的折射率。
13.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的透明电极层（6）为透明电极ITO等材料，透明电极ITO具有透明度高，导电性等优点。
14.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的手性结构层（5）为平面各向异性手性结构。
15.如权利要求8所述的基于各向异性手性超材料的有源动态偏振调控器件，其特征在于：所述的手性结构层（5）的组成材料为金、银、铜、铝、二氧化硅等材料。
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