CN114265140B - 一种超表面圆偏振器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型超表面圆偏振器件，可用于近红外宽波段范围内圆偏振光的检测。该器件结构基于透光基底和基底上层的介质层，其中介质层刻有阵列式镂空的二维手性结构单元。所述手性结构由两个相同的直角五边形结构和矩形结构构成，其中两个直角五边形结构分别位于矩形结构左右两侧，且紧靠矩形结构，此外两个直角五边形结构的顶角相对，底边则分别与矩形结构上边线和下边线的延长线重合。该器件在1.58μm‑1.73μm和1.91μm‑1.93μm两个波段范围内具有良好的圆偏振性能。其中1.92μm波长处对应的右旋圆偏振光透过率高达96％，圆二色性可达90％。同时该二维结构简单，性能优异，易于制作，在光学传感、生物医学诊断和光学成像等领域具有很大的应用价值。

Description

一种超表面圆偏振器件

技术领域

本发明涉及超表面圆偏振器件，具体涉及一种在近红外宽波段范围内可检测左旋偏振光和右旋偏振光的超表面圆偏振器件。

背景技术

传统的成像技术只能获得目标的强度信息，对于目标的识别和细节信息的提取具有一定的限制。偏振成像技术通过获得目标的偏振信息，可以有效地提高识别和检测的准确度，因此被广泛的应用于各个领域，如生物医学诊断、水下目标探测和通信遥感等方面。其中圆偏振光因其在大颗粒散射介质中的独特优势，如在水底、烟雾、云层以及生物组织中的成像质量优于线偏振光，而受到广泛的重视。

传统的偏振检测方法需要旋转光学器件，且体积庞大，难以实现器件的集成化和小型化。此外，这些系统在测量偏振态的速度和精度方面也受到限制，因此利用一种紧凑、经济的系统实现偏振检测具有很大的挑战性。超表面偏振器件由亚波长散射体组成的2D阵列，用于改变光的不同特性，如波前、偏振分布和强度分布等。通过选择合适的散射体结构及其在阵列中的位置，可以设计出光与超表面相互作用的特性，可以实现如光栅、透镜、偏振器、波片等光学器件的功能。此外，超表面器件较高的效率、潜在的低成本以及平面且薄的形状因素，吸引了大量研究人员的关注。现有对于圆偏振光的检测，主要通过三维手性结构、二维手性材料和双层超表面结构实现，而且材料选择上多使用金属，会产生严重的欧姆损耗，导致能量利用率降低。此外三维结构的制备困难而且工作波段较窄，器件应用范围不高，性价比低。器件的透过率和圆二色性是衡量圆偏振检测器件检测能力的关键性因素，因此，设计具有宽波段、高效率和高性能的超表面圆偏振器件具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种超表面圆偏振器件，用于近红外宽波段范围内圆偏振光二维检测。该器件的设计基于二维手性结构，结构简单便于加工，且器件的透过率高，圆二色性好。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种超表面圆偏振器件，其特点在于，包括透光基底和基底上方的介质层，并且在介质层上刻有镂空的等间距分布的阵列式二维手性结构单元，其中每个结构单元包含一个矩形结构和紧靠矩形结构分别左右分布的两个相同直角五边形，其中两个直角五边形的顶角相对，且底边分别与矩形结构的上下边的延长线重合。

所述的二维手性结构单元阵列式分布的周期P变化范围为1.0～1.20μm，结构刻蚀深度H的变化范围为0.30～0.35μm，矩形结构长度L1的变化范围为0.95～1.1μm，矩形结构宽度L2的变化范围为0.2～0.3μm，五边形结构的底边长度L3的变化范围为0.3～0.35μm，五边形结构的侧边长度L4变化范围为0.30～0.35μm，五边形结构顶角θ的变化范围为65°～70°。

各个二维手性结构单元之间等间隔排列。

所述的透光基底的材料为二氧化硅，所述的介质层的材料为硅、锗或砷化镓半导体材料。

所述的二维手性结构的刻蚀深度和所述介质层材料的厚度一致。

相对于现有技术，本发明具有下列优点：

1.独特的二维手性结构对左右旋偏振光具有差异较大的透过率，即结构对左右旋偏振光的区分度高，具有高圆二色性。在1.58μm-1.73μm的宽波段范围内，平均圆二色性大于50％，对右旋圆偏振光的透过率在65％左右；在1.91μm-1.93μm范围内的平均圆二色性在70％左右，最高圆二色性高达90％左右。因此，该结构性能优良，可工作波段覆盖广，具有很高的应用价值。

2.本发明结构为简单的二维结构，相对于其他发明，此发明加工过程大大缩短，并且工作波段宽。

3.基底材料和介质层材料分别为二氧化硅和硅等半导体材料。已知这些半导体材料的制作工艺较为成熟，而且价格便宜，容易获取，因此可进行大批量生产。

附图说明

图1为本发明超表面圆偏振光器件示意图；其中1、透光基底；2介质层2；3、二维手性结构单元。

图2为本发明的二维手性结构单元的俯视图。

图3为实施例一的一种超表面圆偏振器件对左旋偏振光和右旋偏振光的透过率随波长变化的曲线；

图4为实施例一的一种超表面圆偏振器件的圆二色性随波长变化的曲线；

具体实施方式

下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参见图1所示，本发明超表面圆偏振器件包括透光基底1与位于透光基底上方的介质层2，所述介质结构层2刻有镂空的阵列式二维手性结构单元，每个结构单元包含一个矩形结构和紧靠矩形结构左右分布的两个顶角相对的相同的直角五边形结构，且两个五边形结构的底边分别与矩形结构的上下边的延长线重合。

所述的二维手性结构单元3如图2所示，该图形可看做由左右相等且顶角相对的两个直角五边形结构和中间为矩形结构的图形组合而成。通过刻蚀该由直角五边形和矩形组合而成的二维手性结构单元达到本发明想得到的图形镂空效果。其中结构单元的周期为P，结构单元的刻蚀深度为H，矩形结构的长度和宽度分别为L1和L2，五边形结构底边长度为L3，侧边长度为L4，顶角为θ。各个二维手性结构单元3以周期P等间隔排列，周期P为1.0～1.20μm，各个二维手性结构单元3的刻蚀深度H为0.30～0.35μm。所述的矩形结构的长度L1为0.95～1.1μm，宽度L2为0.2～0.3μm，所述的直角五边形结构的直角底边长度L3为0.3～0.35μm，直角侧边长度L4为0.30～0.35μm，顶角θ为65°～70°。

实施例1

一种超表面圆偏振器件包括透光基底1与位于透光基底上方的介质层2，所述介质层2刻有镂空的阵列式二维手性结构单元，以周期P＝1.0μm等间隔排列，结构单元的刻蚀深度H为0.35μm，矩形结构长度L1为1μm，矩形结构宽度L2为0.25μm，五边形结构的底边长度L3为0.35μm，五边形结构的侧边长度L4为0.35μm，五边形结构顶角θ为67°。因此，通过该超表面圆偏振器件对左旋偏振光和右旋偏振光的透过率随波长的吧变换关系，可以得出，在波长1.92μm附近，该器件对右旋偏振光的透过率达到96％左右，如图3所示。

此外，在1.58μm-1.73μm范围内该超表面圆偏振器件的圆二色性几乎不随波长变化，稳定在50％以上，且在波长1.92μm附近，器件的圆二色性高达90％，如图4所示。

Claims (3)

1.一种超表面圆偏振器件，包括透光基底(1)和覆盖在该透光基底(1)上的介质层(2)，其特征在于，在所述的介质层(2)上方刻有阵列式排布的镂空二维手性结构单元(3)，每个二维手性结构单元(3)由两个相同的直角五边形结构和矩形结构构成，且两个直角五边形结构分别紧靠所述的矩形结构的左右两侧，所述的两个直角五边形结构的顶角相对，且底边分别与矩形结构上边线和下边线的延长线重合；

各个二维手性结构单元(3)以周期P等间隔排列，周期P为1.0～1.20μm，各个二维手性结构单元(3)的刻蚀深度H为0.30～0.35μm；

所述的矩形结构的长度L1为0.95～1.1μm，宽度L2为0.2～0.3μm，所述的直角五边形结构的直角底边长度L3为0.3～0.35μm，直角侧边长度L4为0.30～0.35μm，顶角θ为65°～70°。

2.根据权利要求1所述的一种超表面圆偏振器件，其特征在于，所述的透光基底材料为二氧化硅，所述的介质层材料为硅、锗或砷化镓的半导体材料。

3.根据权利要求1所述的一种超表面圆偏振器件，其特征在于，所述的二维手性结构单元的刻蚀深度与所述的介质层的厚度一致。