CN113917588B - 超表面结构透射式偏振调控器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面结构透射式偏振调控器及其制备方法，可应用于微纳光学应用领域。其中，调控器包括：衬底；第一金属纳米块，所述第一金属纳米块设置于所述衬底上表面；中间介质材料层，所述中间介质材料层设置于所述第一金属纳米块上表面；第二金属纳米块，所述第二金属纳米块设置于所述中间介质材料层的上表面；其中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的位置以所述中间介质材料层的中心形成中心对称；所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在所述中间介质材料层上的投影不重叠。本发明的调控器在近红外波段有高效的偏振转换效率、高透过率和较低的反射率。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学应用领域，尤其是一种超表面结构透射式偏振调控器及其制备方法。
背景技术
相关技术中，偏振态是电磁波的一个重要特征参量，它描述的是电磁波电场振荡的矢量性质。调控电磁波的偏振态，在量子计算、生物光学传感、三维立体显示等领域具有广泛的应用。而高效地调控电磁波的偏振态，有利于推进微纳光学领域研究。超表面是一种基于亚波长结构的人工电磁材料，这些亚波长结构通常由小于工作波长的周期性的金属或介质材料构成。超表面的电磁响应特性不仅仅取决于结构的材料，通过改变亚波长结构的形状、参数，超表面可以对电磁波的偏振、相位、振幅等参数灵活调控。相比于传统偏振控制器件，超表面具有结构超薄、设计灵活、便于集成等特点。
基于金属-介质-金属(MIM)的超表面结构一般用于设计反射式偏振转换器，这种MIM结构由于F-P谐振腔的作用会产生较大的欧姆损耗，因此反射式MIM超表面偏振调控器件的效率通常不超过80％，对于入射光的能量损失较大。由于金属在可见光到近红外波段的反射率和吸收率一般较高，使得透射型金属超表面在该工作波段偏振转换率及透过率都更低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超表面结构透射式偏振调控器及其制备方法，能够有效提高金属超表面在近红外波段的偏振转换率及透过率。
一方面，本发明实施例提供了一种超表面结构透射式偏振调控器，包括：
衬底；
第一金属纳米块，所述第一金属纳米块设置于所述衬底上表面；
中间介质材料层，所述中间介质材料层设置于所述第一金属纳米块上表面；
第二金属纳米块，所述第二金属纳米块设置于所述中间介质材料层的上表面；
其中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的位置以所述中间介质材料层的中心形成中心对称；所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在所述中间介质材料层上的投影不重叠。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在所述中间介质材料层上的投影的间距范围为[19nm，20nm]。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的方位角均为45度。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在xy平面的投影的中心所在直线与x轴的夹角为45度。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的长度范围均为[295nm，305nm]、宽度范围均为[140nm，145nm]和厚度范围均为[160nm，165nm]。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的材料均采用银材料。
在一些实施例中，所述第一金属纳米块、所述中间介质材料层和所述第二金属纳米块构成周期单元结构。
在一些实施例中，所述中间介质材料层的周期范围为[590nm，610nm]。
另一方面，本发明实施例提供了一种超表面结构透射式偏振调控器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第一层金属膜，并在所述第一层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第一金属纳米块；
在所述第一金属纳米块的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射得到中间介质材料层；
在所述中间介质材料层的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第二层金属膜，并在所述第二层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第二金属纳米块。
在一些实施例中，所述衬底采用晶体硅衬底，所述中间介质材料层采用二氧化硅材料。
本发明实施例提供的一种超表面结构透射式偏振调控器，具有如下有益效果：
本实施例通过在衬底上表面设置第一金属纳米块，在第一金属纳米块上表面设置中间介质材料层，并在中间介质材料层上表面设置第二金属纳米块，且第一金属纳米块和第二金属纳米块的位置以中间介质材料层的中心形成中心对称，以及第一金属纳米块和第二金属纳米块在中间介质材料层上的投影不重叠，从而使得两块金属纳米块分别与中间介质材料层形成磁偶极子，两个磁偶极子形成环偶极子，同时两块金属纳米块与中间介质材料层还形成类F-P腔结构，环偶极子谐振和类F-P腔的共同作用使超表面偏振调控器在近红外波段有较低的反射率，从而有效提高金属超表面在近红外波段的偏振转换率及透过率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的一种超表面结构透射式偏振调控器的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种超表面结构透射式偏振调控器的投影示意图；
图3为本发明实施例的一种超表面结构透射式偏振调控器的阵列示意图；
图4为本发明实施例的超表面结构透射式偏振调控器中y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的同向偏振透射率、交叉偏振透射率示意图；
图5为本发明实施例的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的偏振转换效率PCR示意图；
图6为本发明实施例的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的吸收率示意图；
图7为本发明实施例的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的反射率示意图；
图8为本发明实施例的超表面结构透射式偏振调控器中右旋圆偏振光沿z轴负方向正入射时同向偏振透射率、交叉偏振透射率示意图；
图9为本发明实施例的一种超表面结构透射式偏振调控器的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1，本发明实施例提供了一种超表面结构透射式偏振调控器，包括衬底110、第一金属纳米块120、中间介质材料层130和第二金属纳米块140，其中，第一金属纳米块120设置于衬底110上表面，中间介质材料层130设置于第一金属纳米块120上表面，第二金属纳米块140设置于中间介质材料层130的上表面；第一金属纳米块120和第二金属纳米块140的位置以中间介质材料层130的中心形成中心对称；第一金属纳米块120和第二金属纳米块140在中间介质材料层130上的投影不重叠。例如，如图1所示，衬底为一个半无限大长方体，以长方体的一个角为圆心，建立三维坐标系，中间介质材料层与xy平面平行，将第一金属纳米块和第二金属纳米块在中间介质材料层上进行投影，得到图2所示的平面图。从图2可知，第一金属纳米块120和第二金属纳米块140在中间介质材料层130的投影不重叠。在本实施例中，第一金属纳米块和第二金属纳米块在xy平面的投影的中心所在直线与x轴的夹角为45度，两块金属纳米块分别与中间介质材料层形成磁偶极子，两个磁偶极子形成环偶极子，同时，两块金属纳米块与中间介质材料层还形成类F-P腔结构。环偶极子谐振和类F-P腔的共同作用使由金属-介质-金属构成的超表面偏振调控器在近红外波段有较低的反射率，在共振峰处实现高达91％的交叉偏振透射率和高性能的偏振转换效率。
如图3所示，当衬底上由四个大小相同的图1所示的调控器组成单元阵列时，单元阵列中的第一金属纳米块和第二金属纳米块的位置仍然以中间介质材料层的中心形成中心对称，且第一金属纳米块和第二金属纳米块在中间介质材料层上的投影不重叠。
在图1所示的调控器或者图3所示的调控器的单元阵列中，将第一金属纳米块和第二金属纳米块在中间介质材料层上的投影不重叠的结构，可使两层金属纳米块别与中间介质材料层形成反向的环形电流，两个反向的环形电流形成环偶极子谐振，上层和下层的金属纳米块与中间介质材料层的中心附近的接触面形成强电场，从而提高了结构的整体透过率和偏振转换效果。第二金属纳米块和第一金属纳米块形成类F-P腔，电磁波在上层和下层的金属纳米块之间多重反射引入了相位突变，且多重反射延长了等效光路，相当于延长了中间介质材料层的厚度。同时，在金属-介质-金属构成的超表面中，在近红外波段电磁波入射时，电磁场与金属内电子的集体振荡的耦合作用在金属-电介质界面上产生表面等离极化激元。
在一些实施例中，如图2所示，第一金属纳米块和第二金属纳米块在中间介质材料层上的投影的间距范围g为[19nm，20nm]。
在一些实施例中，第一金属纳米块和第二金属纳米块的方位角均为45度。其中，方位角是指金属纳米块本身的方向，例如斜45度摆放金属纳米块。
在一些实施例中，如图2所示，第一金属纳米块和第二金属纳米块的长度范围l均为[295nm，305nm]、宽度范围w均为[140nm，145nm]和厚度范围(图中未用子母表示)均为[160nm，165nm]。
在一些实施例中，第一金属纳米块和第二金属纳米块的材料均采用银材料。
在一些实施例中，如图2所示第一金属纳米块、中间介质材料层和第二金属纳米块构成周期单元结构，即长和宽相同且等于周期。其中，中间介质材料层的周期范围p为[590nm，610nm]。
将本实施例的超表面结构透射式偏振调控器应用于具体的仿真测试时，得到图4所示的y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的同向偏振透射率、交叉偏振透射率示意图，其中，图4中的Txy表示y线偏振光入射时，透射光中x线偏振光的能量与入射光能量的比值；Tyy表示y线偏振光入射时，透射光中y线偏振光的能量与入射光能量的比值；图5所示的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的偏振转换效率PCR示意图，其中，PCR为Polarization Conversion Rate，表示偏振转换效率，即透射光中目标偏振光能量占透射光总能量的百分比；图6所示的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的吸收率示意图；图7所示的超表面结构透射式偏振调控器y-线偏振光沿z轴负方向正入射时的反射率示意图；图8所示的右旋圆偏振光沿z轴负方向正入射时的同向偏振透射率、交叉偏振透射率示意图，其中，图8中T-+表示右旋圆偏振光入射时，透射光中左旋圆偏振光的能量与入射光能量的比值，T++表示右旋圆偏振光入射时，透射光中右旋圆偏振光的能量与入射光能量的比值。从图4和图8可知，在920nm-955nm波段，本实施例的调控器的交叉偏振透射率为0.6-0.91，表明本实施例的器件的偏振转换能力好，在目标波段能将60％以上、至多91％的入射偏振光的能量转换为其交叉偏振光的能量透射该器件。从图5可知，本实施例的调控器在940nm波段处偏振转换效率为0.9995，表明透射光中99.95％的光都是所需的偏振光，偏振转换效果好。从图6可知，本实施例的调控器在870nm-950nm波段，本实施例的调控器件的吸收率低于0.2，相比其他MIM结构，本实施例的调控器件吸收率低，能量损失小。从图7可知，本实施例的调控器在910nm-980nm波段，本实施例的调控器件的反射率低于0.2，相比其他MIM结构，本实施例的调控器件反射率低，确保入射光大部分能透过该器件，同时，在该波段，反射率最小值低于0.001，说明本实施例的调控器件可以几乎不反射入射光，将入射光以高透过率透过。
参照图9，本发明实施例提供了一种图1所示的超表面结构透射式偏振调控器的制备方法，包括以下步骤：
S91、在衬底的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第一层金属膜，并在第一层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第一金属纳米块。其中，衬底采用晶体硅衬底。
S92、在第一金属纳米块的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射得到中间介质材料层。其中，中间介质材料层采用二氧化硅材料。
S93、在中间介质材料层的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第二层金属膜，并在第二层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第二金属纳米块。
本发明方法实施例的内容均适用于上述调控器实施例，本发明方法实施例所具体实现的功能与上述调控器实施例相同，并且达到的有益效果与上述调控器达到的有益效果也相同。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (7)
1.一种超表面结构透射式偏振调控器，其特征在于，包括：
衬底；
第一金属纳米块，所述第一金属纳米块设置于所述衬底上表面；
中间介质材料层，所述中间介质材料层设置于所述第一金属纳米块上表面；
第二金属纳米块，所述第二金属纳米块设置于所述中间介质材料层的上表面；
其中，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的位置以所述中间介质材料层的中心形成中心对称；所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在所述中间介质材料层上的投影不重叠且投影间距范围为[19nm，20nm]；所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的方位角均为45度；所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块在xy平面的投影的中心所在直线与x轴的夹角为45度。
2.根据权利要求1所述的一种超表面结构透射式偏振调控器，其特征在于，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的长度范围均为[295nm，305nm]、宽度范围均为[140nm，145nm]和厚度范围均为[160nm，165nm]。
3.根据权利要求1所述的一种超表面结构透射式偏振调控器，其特征在于，所述第一金属纳米块和所述第二金属纳米块的材料均采用银材料。
4.根据权利要求1所述的一种超表面结构透射式偏振调控器，其特征在于，所述第一金属纳米块、所述中间介质材料层和所述第二金属纳米块构成周期单元结构。
5.根据权利要求1所述的一种超表面结构透射式偏振调控器，其特征在于，所述中间介质材料层的周期范围为[590nm，610nm]。
6.一种用于权利要求1-5任一项所述的超表面结构透射式偏振调控器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第一层金属膜，并在所述第一层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第一金属纳米块；
在所述第一金属纳米块的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射得到中间介质材料层；
在所述中间介质材料层的上表面通过磁控溅射镀膜法溅射第二层金属膜，并在所述第二层金属膜上通过双光束激光干涉光刻法刻蚀制备一层金属纳米块作为第二金属纳米块。
7.根据权利要求6所述的一种超表面结构透射式偏振调控器的制备方法，其特征在于，所述衬底采用晶体硅衬底；所述中间介质材料层采用二氧化硅材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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