CN114609717B - 一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其结构包括透光基底和覆于透光基底上的薄膜，薄膜上刻蚀着具有手性的周期性结构阵列。该圆偏振器对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光有着良好的甄别能力，实现了对圆偏振光的控制与检测。本发明的圆偏振器在500‑600nm波段内，平均圆二色性大于0.2。在532nm处圆二色性最高可达0.28，圆消光比达到1000左右。本发明凭借其紧凑新颖的结构、超薄的厚度、高效简单的工艺以及良好的性能，在生物医学诊断、分子检测、化学分析以及微纳偏振成像等领域具有良好的发展前景，尤其是与线性偏振器集成实现实时全斯托克斯偏振检测。

Description

一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，特别涉及一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器。
背景技术
分焦面偏振成像技术是近年来发展起来的一种集成微纳偏振与光电成像器件的新型偏振成像技术，该技术中焦平面的CCD上的每一个像素单元都对应集成一个不同的微纳偏振单元，通过一次曝光就可以获得目标的多种偏振分量信息，进而获得斯托克斯偏振图像。其探测速度快，稳定性好，可靠性高，具有良好的发展前景，已经被广泛的用于气象环境科学研究、海洋探测、生物医学等诸多领域。
然而，分焦面偏振成像技术目前基本上还停留在线偏振分量的测量，还无法进行全斯托克斯成像测量，其主要原因就是缺乏能与线偏振器集成的高性能圆偏振器。国内外已经对此做了大量的研究：2009年，Gansel等人提出了金螺旋结构的圆偏振器，并通过激光直写和电化学沉积的方法制备了实物，在3.5-6.5μm内圆平均消光比达到了60％，但其仅适用于近红外波段，结构工艺复杂，制作困难。此后，人们陆续提出了双螺旋、N螺旋、异质结双螺旋、锥形螺旋等结构，但都面临着制备困难的挑战。为了进一步简化工艺并且达到螺旋结构的奇异效果，人们利用光刻等传统技术制备了扭曲超材料等多种多层堆叠的结构。虽然制作难度有所降低，但是制作工艺复杂且耗时，还需要定向对准的操作。为了进一步的降低工艺难度，提高工艺的集成性，人们又陆续提出了阿基米德螺旋线等单层结构。但是目前存在的单层结构圆偏振器的性能较差，工作波段多局限于近红外，太赫兹波以及微波等波段，工作形式多是反射、衍射和散射等形式，适用于可见光波段透射式的圆偏振器目前还没有出现，但是适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器对于病毒检测和光电探测器的集成具有很大的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，能够实现圆偏振光的检测和控制，满足了可见光波段探测器集成等应用需求，并具有工艺简单，性能良好，易于集成等特点。
本发明的技术方案：
一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，包括透光基底和覆于透光基底上的薄膜，薄膜上刻蚀着周期性结构阵列。所述的周期性结构阵列的基本单元由三个贯穿薄膜上表面与下表面的矩形通孔组成，且其中的一个矩形通孔倾斜布置，与x轴正方向成夹角。三个矩形通孔存在的相对位置关系使其构成的基本单元具有手性，即构成的基本单元无法通过平移、旋转、缩放等方式与其镜像重合。周期性结构阵列的周期通过基本单元之间沿x方向的排列间隔Px和沿y方向的排列间隔Py确定，Px和Py都小于目标工作波长。
所述的圆偏振器凭借着新颖手性结构单元的设计和重复周期阵列的布局，显著的增强了电磁场之间的交叉耦合，实现了强大的光学手性，在可见光波段内实现了大的圆二色性和圆消光比。
优选地，所述的透光基底为二氧化硅基底或氟化镁基底。
优选地，所述的薄膜的材料为金属或其他半导体材料，包括金、银、铝、铂、铝合金等。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明首次公开了一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其巧妙的手性结构设计展现出了巨大的光学手性，在可见光范围内具有大的圆二色性和消光比；
(2)本发明结构合理，性能优越，工艺简单高效，矩形孔的尺寸参数可调，克服了现有技术需要繁琐的制备过程；
(3)本发明的单层透射式圆偏振器的制备方法与现有的半导体制备方法完全兼容，原料来源广，时间和生产成本低，可以大面积、有序的制备，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统具有很大的应用价值。
综上，本发明结构简单合理，性能优越，工艺流程少，制作难度低，在生物医学诊断、分子检测、化学分析以及微纳偏振成像等领域具有良好的发展前景。
附图说明
图1为实施例中圆偏振器的总体示意图；图中：1透光基底；2薄膜；3周期性结构阵列；
图2为实施例中圆偏振器的基本单元结构示意图；
图3为实施例中圆偏振器的原理示意图；
图4为实施例中圆偏振器的透过率曲线；
图5为实施例中圆偏振器的制作工艺流程图；
图6为实施例中圆偏振器的样品局部结构扫描电镜图；
图7为实施例中圆偏振器的样品整体结构扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器的结构包括透光基底1和覆于透光基底1上的薄膜2，薄膜2上刻蚀着周期性结构阵列3。本实施例中，透光基底1为二氧化硅基底，薄膜2为铝膜。
周期性结构阵列3的基本单元由三个矩形通孔组成，本实施例中具体的位置关系如图2所示，两个矩形孔相互正交，另一个矩形孔倾斜布置，与x轴的正方向的夹角为π/4。通过FDTD软件进行了严格的数值仿真，确定了基本单元的尺寸。其中，双正交矩形孔的尺寸分别为L1＝258nm、W1＝136nm、L2＝338nm、W2＝56nm，空间π/4倾斜布置的矩形孔的尺寸为L3＝198nm、W3＝76nm。上述尺寸下的双正交矩形孔和空间π/4倾斜布置的矩形孔分别等效为1/4波片和线偏振器，通过此种等效方式将1/4波片和线偏振器集成在一个单层平面内，形成一个圆偏振器。同时，上述尺寸下的基本单元结构具有手性，即该结构无法通过平移、旋转等方式与其镜像重合，结构上的手性使其具有了圆二色性等光学手性，如图3所示，对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光有着不同的透过率。
如图4所示，本实施例的一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器在可见光范围内实现了大的圆二色性和圆消光比，在500-600nm的波段内，平均圆二色性大于0.2，在532nm处圆二色性最高可达0.28，圆消光比达到1000左右。
如图5所示，本实施例中适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器制备方法，有如下步骤：
(1)对二氧化硅基底进行预处理；
(2)在预处理后的二氧化硅基底上热蒸镀一层200nm厚的铝膜；
(3)采用聚焦离子束工艺在铝膜上刻蚀出以双正交矩形孔和空间π/4倾斜布置的矩形孔为基本单元的周期性孔阵列；
图6是按照上述步骤制作出来的实际样品局部结构扫描电镜图，图7是按照上述步骤制作出来的是实际样品整体结构扫描电镜图。

Claims (4)

1.一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其特征在于，所述的单层透射式圆偏振器包括透光基底和覆于透光基底上的薄膜，薄膜上刻蚀着周期性结构阵列；所述的周期性结构阵列的基本单元由三个贯穿薄膜上表面与下表面的矩形通孔组成；两个矩形通孔相互正交，另一个矩形通孔倾斜布置，该倾斜布置的矩形通孔与x轴的正方向的夹角为π/4；三个矩形通孔存在的相对位置关系使其构成的基本单元具有手性；周期性结构阵列的周期通过基本单元之间沿x方向的排列间隔Px和沿y方向的排列间隔Py确定，Px和Py都小于目标工作波长；正交布置的两个矩形通孔的尺寸分别为L1=258nm、W1=136nm、L2=338nm、W2=56nm，倾斜布置的矩形通孔的尺寸为L3=198nm、W3=76nm；其中，L1和L2分别为正交布置的两个矩形通孔的长边尺寸；W1和W2分别为正交布置的两个矩形通孔的短边尺寸；L3为倾斜布置的矩形通孔的长边尺寸；W3为倾斜布置的矩形通孔的短边尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其特征在于，所述的透光基底为二氧化硅基底或氟化镁基底。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其特征在于，所述的薄膜的材料为金属或半导体材料。
4.根据权利要求3所述的一种适用于可见光波段的单层透射式圆偏振器，其特征在于，所述的薄膜的材料为金、银、铝、铂或铝合金。
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