CN114740562A - 一种能够实现双波段偏振转换的t型光学二极管 - Google Patents

Abstract

一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，包括若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元，取结构单元的几何中心为0点，过该点两条相互垂直的边为0X轴和0Y轴，且垂直于两条边的为0Z轴，每个结构单元均包括沿OZ轴上下布置的上层T型金属结构和下层T型金属结构，且通过二氧化硅衬底连接，上层T型金属结构和下层T型金属结构规格完全相同，且均由第一金属棒与第二金属棒组成，其中第一金属棒的一端与第二金属棒的一侧中部相互垂直且无缝连接，上层T型金属结构与下层T型金属结构能够绕0Z轴的方向旋转重合，使结构单元具有手性特征，且能够在双波段实现交叉偏振转换，即在不同波段分别实现x偏振光向y偏振光转换和y偏振光向x偏振光转换。

Description

一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管

技术领域

本发明涉及光学特异材料即光学超材料技术领域，具体为一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管。

背景技术

特异材料(Metamaterial,也称超材料)是一种能够在亚波长尺度上调控电磁波的新型人工电磁材料，又被称为“超构材料”、“特异材料”、“异构材料”，具有天然材料所不及具备的电磁特性。其独特的电磁特性主要取决于结构上的特殊性而非内在的化学属性，进而能够实现自然界中的天然材料所不能实现的电磁现象，如电磁波的不对称传输、负折射和异常反射等现象。对于超材料而言，其电磁特性是由组成该超材料的超原子、超分子以及超原子、超分子的排列方式决定的，因此，我们可以根据对不同电磁波的需要，设计出具有相应功能的特异材料。

二极管作为面世最早的半导体器件之一如今已经得到了广泛的应用。例如在电子电路中，通过使用二极管与电阻、电容、电感进行不同的组合连接，就能构成不同功能的电路，从而实现各种各样的功能。众所周知二极管最大的特性就在于其单向导电特性，即当在阳极和阴极之间加上正向电压时二极管导通，当施加反向电压时二极管处于截止状态。就此特性而言，本发明所提到的光学二极管与传统二极管具有异曲同工之妙。首先沿正向传输时某一特定偏振的线偏振光能够通过该光学二极管，沿反向传输时该线偏振光不能通过该光学二极管。其次线偏振光通过该二极管时能够实现偏振的完全交叉极化转换。该发明打破了传统意义上的光路的可逆性，在实现偏振转换的基础上又能做到单方向传输。

手性微纳结构是说该结构具有手性特征，即结构自身与其镜面结构无论怎样旋转都无法完全重合。手性材料的不对称性能够使入射的左旋或右旋偏振电磁波在共振频率附近产生负折射效应。例如本申请人之前申请的中国专利CN201410504704.2，名称为一种能够实现宽带不对称传输的光学特异材料这一发明中，很好地诠释并应用了手性材料在实现不对称传输中的应用，但是该发明涉及的光学特异材料仅是为了在宽带范围内实现偏振光的不对称传输，在偏振转换方面效果较差，虽然存在少量的偏振转换，但在透射光中未能转换的偏振光高达0.4，尤其是在双波段的偏振转换中，效果更是不尽如人意，因此本发明人重新构思并进行大量实验，将手性结构材料主要应用于偏振光的偏振转换当中，发明了一种能够实现双波段偏振转换且转换效率较高的T型光学二极管。

发明内容

为解决上述现有光学特异材料偏振转换方面效果较差，偏振光转换效率较低，尤其是在双波段的偏振转换中，效果更是不尽如人意的问题，本发明提供了一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管。

本发明技术方案如下：

一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，所述光学二极管包括若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元，取所述结构单元的几何中心为0点，过该点的两条相互垂直的边为0X轴和0Y轴，且垂直于两条边的为0Z轴。

进一步的，作为本发明的主要构思，每个所述结构单元均由上层T型金属结构和下层T型金属结构并通过二氧化硅衬底连接构成，所述上层T型金属结构和下层T型金属结构沿0Z轴方向上下排布，所述上层T型金属结构与下层T型金属结构规格相同，且均由一根第一金属棒与一根第二金属棒组成，所述第一金属棒、第二金属棒的规格完全相同，其中所述第一金属棒的一端与第二金属棒的一侧中部相互垂直且无缝连接，所述上层T型金属结构与下层T型金属结构能够绕0Z轴的方向旋转重合。

需要说明的是，所述上层T型金属结构或下层T型金属结构中其中一个的第一金属棒沿OX轴方向布置，另一个的第一金属棒与OY轴方向的夹角记为旋转角度θ。

如上所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，取所述上层T型金属结构的第一金属棒沿OX轴方向布置，旋转角度θ为下层T型金属结构的第一金属棒与OY轴方向的夹角，且旋转角度θ在0-53°之间取值，当然了，旋转角度θ也可以为下层T型金属结构的第一金属棒沿OX轴方向布置时，上层T型金属结构的第一金属棒与OY轴方向的夹角，此处不作任何限制。

作为优选的，下层T型金属结构的第一金属棒与OY轴方向的夹角旋转角度θ等于30°或45°。

如上所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，所述二氧化硅衬底介于上层T型金属结构与下层T型金属结构之间。

作为优选的，所述二氧化硅衬底的长和宽分别为p_x＝p_y＝800nm，其厚度即为上层T型金属结构与下层T型金属结构之间的距离d＝350nm，所述第一金属棒和第二金属棒的长度L＝570nm，宽度w＝65nm，厚度t＝70nm。

如上所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，所述第一金属棒与第二金属棒均为金质材质。

进一步的，所述结构单元具有手性特性。

本发明的有益效果在于：本发明为一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，该光学二极管不仅能够在不同的频率下实现对x和y偏振光沿+z轴方向的单向通光作用，还能够在对应的频段实现交叉偏振转换。上层T型金属结构与下层T型金属结构的布置方式，使该结构单元在不具有XY平面内的旋转对称性的同时，也不具有关于Z平面的镜面对称性即手性，利用其手性特征能够实现双波段的交叉偏振转换，(结合图5)即在108THz波段，x偏振光沿0Z轴正方向射入该材料时，透射光中完全转换为y偏振光，而x偏振光透射强度为0；在163THz波段，y偏振光沿0Z轴正方向射入该材料时，透射光中完全转换为x偏振光，而几乎没有y偏振光的存在。当入射光沿0Z轴反方向射入时，x偏振108THz附近及y偏振光在163THz附近不能透过该材料，进而印证了其光学二极管的特性。此外，通过改变第一金属棒和第二金属棒的长度、宽度、厚度以及二氧化硅衬底的厚度和旋转角度，能够满足不同环境下实际应用中对不对称传输的效率以及波段的要求。该特异材料具有制作简单，容易操控，双波段范围，偏振转换效率高，应用场景广泛等优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

在附图中：

图1为本实施例中光学二极管的结构示意图；

图2为本实施例中结构单元的结构示意图；

图3为图2的主视图；

图4为图2的俯视图；

图5本实施例中x偏振光和y偏振光分别沿0Z轴正方向和负方向入射到光学二极管时得到的透射系数图；

图6为本实施例中光学二极管的交叉极化透射系数T_yx与旋转角度关系图；

图7为本实施例中光学二极管的交叉极化透射系数T_xy与旋转角度关系图；

图8为本实施例中旋转角θ＝45°时光学二极管在不同频段下的偏振转换效率图；

图9为本实施例中光学二极管在入射x偏振光时探针A、探针B检测到的电场强度示意图；

图10为本实施例中光学二极管在入射y偏振光时探针A、探针B检测到的电场强度示意图；

图中各附图标记所代表的组件为：

1、上层T型金属结构；11、第一金属棒；12、第二金属棒；2、下层T型金属结构；3、二氧化硅衬底。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。

实施例

本实施例提供了一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，参见图1，包括若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元，且所述结构单元具有手性特性，取所述结构单元的几何中心为0点，过该点的两条相互垂直的边为0X轴和0Y轴，且垂直于两条边的为0Z轴。

进一步的，结合图2，作为本发明的主要构思，每个所述结构单元均由上层T型金属结构1和下层T型金属结构2并通过二氧化硅衬底3连接构成，所述上层T型金属结构1和下层T型金属结构2沿0Z轴方向上下排布，所述二氧化硅衬底3介于上层T型金属结构1与下层T型金属结构2之间，所述上层T型金属结构1与下层T型金属结构2规格相同，且均由一根第一金属棒11与一根第二金属棒12组成，所述第一金属棒11、第二金属棒12的规格完全相同，其中所述第一金属棒11的一端与第二金属棒12的一侧中部相互垂直且无缝连接，所述上层T型金属结构1与下层T型金属结构2能够绕0Z轴的方向旋转重合。

需要说明的是，结合图3，所述第一金属棒11与第二金属棒12均为金质材质，所述上层T型金属结构1或下层T型金属结构2中其中一个的第一金属棒11沿OX轴方向布置，另一个的第一金属棒11与OY轴方向的夹角记为旋转角度θ。

本实施例中，结合图4，所述二氧化硅衬底3的长和宽分别为p_x＝p_y＝800nm，其厚度即为上层T型金属结构1与下层T型金属结构2之间的距离d＝350nm，所述第一金属棒11和第二金属棒12的长度L＝570nm，宽度w＝65nm，厚度t＝70nm。

进一步的，本发明可采用微纳加工技术(如电子束曝光，聚焦离子束等方法)进行制备。聚焦离子束技术(FIB)能够利用具有聚焦功能的透镜将离子束加速聚焦成很小尺寸的光斑，使离子束具有非常高的能量并与固体发生碰撞，将组成固体的原子层溅射剥离。利用聚焦离子束技术可以实现成像，刻蚀，沉积薄膜，离子束注入，透射电镜样品的制备等功能。以聚焦离子束刻蚀为例，在二氧化硅衬底3的上层和下层沉积金属薄膜，在上层刻蚀出第一金属棒11和第二金属棒12形成上层T型金属结构1单元；在下层刻蚀出第一金属棒11和第二金属棒12形成下层T型金属结构2单元。

另外，本发明的光学二极管能够较好的实现线偏振光的交叉偏振转换。由于平行于金属棒的光入射到金属棒时能够引起局域表面等离激元电偶极共振，并且在共振频率下透射谱表现为共振谷。为了实现光学二极管中光的单方向导通，将这种特异材料设置为由上下两层T型金属结构绕0Z轴旋转一定角度构成的周期性结构。即当x和y偏振光沿+Z方向传输时，入射光首先与下层T型结构相互作用，并且可以分解电场方向为垂直和平行于第一金属棒11和第二金属棒12的分量。其中平行于第一金属棒11和第二金属棒12的分量引起局域表面等离激元共振表现为透射谷，垂直于该层T型结构的分量表现为透射峰，通过该层T型金属结构并与上层T型金属结构1相互作用，进而实现了在108THz波段，x偏振光沿0Z轴正方向射入该材料时，透射光中大部分全部转换为y偏振光，而x偏振光则微乎其微；在163THz波段，y偏振光沿0Z轴正方向射入该材料时，透射光中全部转换为x偏振光，而几乎没有y偏振光的存在。当入射光沿0Z轴-Z方向入射时，x偏振光平行于水平放置的第一金属棒11，即在108THz的共振频率x偏振光完全不能透过该光学二极管；y偏振光平行于竖直放置的第二金属棒12，即在共振频率163THz时y偏振光完全不能透过该光学二极管。该发明中T型结构的设置，不仅实现了光学二极管中光的单向导通性能，还能够在不同频率下满足线偏振的交叉极化转换。该特异材料具有制作简单，容易操控，双波段范围，偏振转换效率高，应用场景广泛等优点。

发明人还对本发明的结构单元进行基于时域有限差分法的电磁仿真软件模拟试验。将入射光设置成x偏振光和y偏振光，分别沿0Z轴正方向和0Z轴负方向入射光学二极管。结合图5，如图5所示为电磁仿真软件模拟试验结果。结合图5(a)和图5(c)，

表示沿0Z轴正方向即光学二极管正面射入j方向偏振光时探测到的透射光中i方向的偏振分量；结合图5(b)和图5(d)，

则表示沿0Z轴负方向即光学二极管背面射入j方向偏振光时探测到的透射光中i方向的偏振分量。如图5(a)中所示，当入射光为x偏振光时，在100THz频段附近，只有沿着0Z轴正方向入射的x偏振光能够转化为y偏振光，且透射系数接近0.7，而透射光中几乎检测不到x偏振光的存在；图5(b)表示沿着0Z轴负方向入射时，在100THz频段附近x偏振光透射系数近似为0，即x偏振光不能透过该光电二极管。图5(c)表示，当入射光调整为y偏振光后，在162THz附近，y偏振光沿着0Z轴负方向入射转化为x偏振光的透射系数竟能超过0.7，而转化成y偏振光的不足0.1；相同的是当沿着0Z负方向入射时，y偏振光完全不能通过，如图5(d)中所示。

本实施例中，取所述上层T型金属结构1的第一金属棒11沿OX轴方向布置，旋转角度θ为下层T型金属结构2的第一金属棒11与OY轴方向的夹角，结合图5和图6可知，当旋转角度θ在0-53°之间取值时，光学二极管的交叉极化透射系数处于较高水平，当然了，旋转角度θ也可以为下层T型金属结构2的第一金属棒11沿OX轴方向布置时，上层T型金属结构1的第一金属棒11与OY轴方向的夹角，此处不作任何限制。

作为优选的，结合图5和图6来看，下层T型金属结构2的第一金属棒11与OY轴方向的旋转角度θ等于30°或45°时，光学二极管的交叉极化透射系数最高。

本实施例中，为了更好的了解沿+Z方向传输时偏振的转换情况，图8中给出了偏振转换效率：PCR_x-to-y＝T² _yx/(T² _yx+T² _xx)/PCR_y-to-x＝T² _xy/(T² _xy+T² _yy)。经过计算，观察得出从95THz到120THz范围内x偏振光转化为y偏振光的转+化效率达到100％；从150THz到175THz范围内y偏振光转化为x偏振光的转化)效率也可达到100％，在108THz当入射光为x偏振光时，我们在透射光中检测到大部分为y偏振光而几乎没有x偏振光；相似的，在163THz当入射光为y偏振光时，在透射光中检测到大部分为x偏振光且几乎没有y偏振光。此现象也很好地展示了本发明的偏振转换性质。

为了更好地解释本发明的物理机制，图9和图10分别给出了当x偏振光和y偏振光入射时，探针A、探针B探到的第一金属棒11和第二金属棒12两端电场的共振情况。图9表示当x偏振光入射时探针A探测到的第一金属棒11的共振在114THz附近，探针B探测到第二金属棒12一端的共振在89.7THz附近，两共振的耦合作用时x偏振光转换为y偏振光。由图10可以看出，当y偏振光入射时，89.7THz附近的共振减弱，探针A在114THz和170THz分别探测到两个共振峰，即当y偏振光入射时第一金属棒11起主要作用，两共振的耦合作用导致了在163THz附近y偏振光完全转换为x偏振光。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，该光学二极管包括若干个在XY平面上呈周期性排列的结构单元，取所述结构单元的几何中心为0点，过该点的两条相互垂直的边为0X轴和0Y轴，且垂直于两条边的为0Z轴，其特征在于：

每个所述结构单元均由上层T型金属结构(1)和下层T型金属结构(2)并通过二氧化硅衬底(3)连接构成，所述上层T型金属结构(1)和下层T型金属结构(2)沿0Z轴方向上下排布，所述上层T型金属结构(1)与下层T型金属结构(2)规格相同，且均由一根第一金属棒(11)与一根第二金属棒(12)组成，所述第一金属棒(11)、第二金属棒(12)的规格完全相同，其中所述第一金属棒(11)的一端与第二金属棒(12)的一侧中部相互垂直且无缝连接，所述上层T型金属结构(1)与下层T型金属结构(2)能够绕0Z轴的方向旋转重合；

所述上层T型金属结构(1)或下层T型金属结构(2)中其中一个的第一金属棒(11)沿OX轴方向布置，另一个的第一金属棒(11)与OY轴方向的夹角记为旋转角度θ。

2.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，所述上层T型金属结构(1)的第一金属棒(11)沿OX轴方向布置，旋转角度θ为下层T型金属结构(2)的第一金属棒(11)与OY轴方向的夹角，且旋转角度θ为0-53°。

3.所述按照权利要求2所述的能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，下层T型金属结构(2)的第一金属棒(11)与OY轴方向的夹角旋转角度θ等于30°或45°。

4.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，所述二氧化硅衬底(3)介于上层T型金属结构(1)与下层T型金属结构(2)之间。

5.根据权利要求4所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，所述二氧化硅衬底(3)的长和宽分别为p_x＝p_y＝800nm，其厚度即为上层T型金属结构(1)与下层T型金属结构(2)之间的距离d＝350nm，所述第一金属棒(11)和第二金属棒(12)的长度L＝570nm，宽度w＝65nm，厚度t＝70nm。

6.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，所述第一金属棒(11)与第二金属棒(12)均为金质材质。

7.根据权利要求1所述的一种能够实现双波段偏振转换的T型光学二极管，其特征在于，所述结构单元具有手性特性。

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