CN206057624U - 一种亚波长超宽带透射式二维金属波片 - Google Patents
一种亚波长超宽带透射式二维金属波片 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，波片单元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构，基片为正方形基片，其边长P为800~1000nm，正交十字银纳米棒结构的高度H为100~150nm，所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W为200~300nm，正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx为550~650nm，正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly为150~170nm。本实用新型大大拓宽了工作带宽，而且对于参数变化的容忍度较高，由于现在微纳结构制作精度的限制，该结构合理、易于制作，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，涉及光学元件领域。
背景技术
现有技术中，偏振态是光波一种非常重要的光学特性。双折射晶体材料具有沿平行和垂直光轴的正交方向具有不同的光学折射率的特性，被宽泛的应用于传统控制偏振态的器件中。光透过双折射晶体时，透射光会在正交方向上产生位相差，实现偏振态的转换。目前，新型产业的微型化发展需求高集成度的光电元器件，而传统晶体波片受到物理尺寸的限制，促使了亚波长结构光学器件的急剧发展，其中基于表面等离子体共振的亚波长金属结构的超表面波片得到了广泛的重视和研究。
光学超表面即亚波长超表面，指一种厚度小于波长的人工层状材料，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。与传统的波片相比，基于超表面的波片可以在超薄的平台上增强电磁场调控光波的特性。基于超表面的波片一般利用各向异性共振单元阵列，例如纳米缝，L型天线，H型天线，V天线等等…而基于这些结构的波片又常常受到窄带的限制。
有鉴于此，提供一种新的二维金属波片，解决现有技术中因带宽窄，导致应用范围过小的问题，显然是有必要的。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，解决现有技术中带宽窄的问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，所述波片单元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构，
所述基片为正方形基片，其边长P为800~1000nm，
所述正交十字银纳米棒结构的高度H为100~150nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W为200~300nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx为550~650nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly为150~170nm。
优选地，所述基片为正方形基片，其边长P=950nm，所述正交十字银纳米棒结构的高度H=125nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=600nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
优选地，所述基片为正方形基片，其边长P=880nm，所述正交十字银纳米棒结构的高度H=125nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=600nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
优选地，所述基片为正方形基片，其边长P=880nm，正交十字银纳米棒结构的高度H=100nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=560nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
优选地，所述基片形状为正方形，其边长P=850nm，正交十字银纳米棒结构的高度H=140nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=210nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=630nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=165nm。
优选地，当线偏振光入射时，其偏振角度随波长的改变而改变，使得振幅分量Ex =Ey，而所述金属波片的位相分布保持不变。
本发明的设计原理如下：一束线偏振光沿与四分之一波片快轴成45°的方向通过四分之一波片后，透射场沿两正交方向位相差为π/2的奇数倍，且振幅Ex 、Ey相等，即四分之一波片具有把线偏光转化为圆偏振光的功能。
在波片的设计过程中，通过控制变量的方法，分别分析了各项结构参数对于超表面透射场分布的影响。金属棒作为各向异性光学共振器，其高度H和垂直银纳米条的宽度W对位相差的调控起主要作用，并且金属的厚度也影响着波片的透射效率，而水平纳米棒的垂直宽度Ly对短波处共振的发生位置敏感。由此，在确定金属厚度，选择合适的结构周期之后，通过微调Lx和W来调控正交方向位相分布，获得四分之一波片性能。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明设计了一种新型的亚波长超宽带透射式二维金属波片，实现了近~中红外超宽波段范围内的透射型四分之一波片功能，与现有的波片相比较，透射电场两正交分量在至少2500nm的超宽波长范围内，位相差变化低于π/2的2%，而不是仅仅在两个邻近共振峰的交叉处，大大拓宽了工作带宽，而且本发明对于参数变化的容忍度较高，由于现在微纳结构制作精度的限制，该结构合理、易于制作，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的波片单元的结构示意图。
图3是图2波片单元的俯视图。
图4是实施例一中不同结构参数的波片单元透射光正交方向振幅和位相随波长变化分布对比图。
图5是实施例一中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图。
图6是实施例一中入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图。
图7为在不同入射偏振角度下二维金属波片透射率随波长变化曲线图。
图8为不同入射线偏振光偏振角度下时二维金属波片的透射光的振幅及相位随入射波长变化分布图。
图9为实施例二中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图。
图10为实施例二中入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图。
图11为实施例三中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图。
图12为实施例三中入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图。
其中：1、基片；2、正交十字银纳米棒结构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，波片单元的结构示意图参见图2所示，所述波片单元包括SiO2基片1和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构2，
参见图3所示，为波片单元的俯视图，基片形状为正方形，其边长P=950nm，正交十字银纳米棒结构的高度H=125nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=600nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
优选地，入射光偏振角度θ范围为30°~70°。
上述正交十字银纳米棒结构包括矩形结构和相对设置在矩形结构两侧的矩形突出部，矩形突出部由矩形结构的两侧向外延伸而成，上文中第一长度为矩形结构的长度，第一宽度为矩形结构的宽度，第二长度为矩形结构两侧相对的矩形突出部的最外侧之间的距离，第二宽度为矩形突出部的宽度。本实施例金属波片中同一侧相邻的矩形突出部之间的距离与波片单元的周期相等。
本实施例利用时域有限差分FDTD数值计算方法进行建模仿真。FDTD方法将麦克斯韦方程组中的时域场旋度方程微分式进行差分化，得到场分量的有限差分方程，利用相同参量的空间网格去模拟电磁散射。
参见图4所示，为不同结构参数的波片单元透射光正交方向振幅和位相随波长变化分布对比图。如图4（a），由于正交纳米棒的形状类似，参数变化不大，一般这两个共振峰的位置彼此邻近，在透射率曲线上表示为两个靠近的窄而高的透射峰，只能在两峰之间很小的一段波段实现窄带波片功能，从图4（b）可以看出，随着竖直方向的长度逐渐变长，可以看出正交激发共振峰被拉开，两峰之间出现了一段平缓的位相分布，带宽增大。从图4(c)中可以看出，本实施例的垂直棒的共振峰移动到远红外波段并且峰值高度降低，即其共振效应变弱，消除了不需要的垂直棒在近红外的位相分散。同时缩短了水平棒的长度，在近-中红外引入位相分散以及与垂直方向一个连续的π/2的位相差，通过调节金属的厚度，可以让正交方向的位相曲线在两个相距很远的共振峰之间接近平行，这个效应直接导致了在近红外波段的超宽波段范围内一个平缓的位相差，即超宽带的产生。其中振幅比的发散问题可以通过随波长改变入射光的偏振角度，从而改变Ex =Ey的共振点来解决。
参见图5所示，为本实施例中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图，参见图6所示，为本实施例中入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图，从图5、图6中可以看出位相差在2000nm到4500nm之间的超宽波长范围内，透射电场两正交分量的位相差变化低于π/2的2%，满足四分之一波片必要的位相差条件。
参见图7所示，在不同入射偏振角度下二维结构透射率随波长变化曲线图。因为振幅比随着波长发散，实现圆偏振光向线偏振光的转换时，透射波的电场偏振角是发散的。实现线偏光向圆偏光的转换时，由于透射场正交方向电场分量振幅比的发散，需要随波长改变入射光的偏振角度来获得宽带效应。即入射光偏振角度改变，Ex =Ey的点发生移动，而结构的位相分布保持不变，模拟得出需要旋转的入射偏振角最大为70°。
参见图8所示，为不同入射线偏振光偏振角度下时，二维金属波片的透射光的振幅及相位随入射波长变化分布图。其中图8（a）中，入射光偏振角度与x方向夹角θ=50°，该结构在2113nm处透射场正交方向电场分量Ex =Ey，位相差1.59rad，近似为π/2，可看作四分之一波片，透过率为54%；图8（b）中，入射光偏振角度与x方向夹角θ=55°，该结构在2970nm处透射场正交方向电场分量Ex =Ey，位相差为π/2，可看作四分之一波片，透过率为46%；图8（c）中，入射光偏振角度与x方向夹角θ=64°，该结构在3964nm处透射场正交方向电场分量Ex =Ey，位相差1.54rad，近似为π/2，可看作四分之一波片，透过率为32%；图8（d）中，入射光偏振角度与x方向夹角θ=66°，该结构在4164nm处透射场正交方向电场分量Ex =Ey，位相差1.54rad，近似为π/2，可看作四分之一波片，透过率为21%。
综上所述，本实施例实现了近-中红外2000nm~4500nm波段范围内的超宽带透射型四分之一波片功能，其带宽宽度至少为2500nm，在此波段范围内，透射电场两正交分量的位相差变化低于π/2的2%，入射光偏振角度随波长的变化而变化，有效的拓宽了透射式波片的带宽，并且此结构对于参数变化的容忍度较高，由于现在微纳结构制作精度的限制，该结构合理、易于制作，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
实施例二：一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，波片单元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构，
基片形状为正方形，其边长P=880nm，正交十字银纳米棒结构的高度H=100nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=560nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。入射光偏振角度与x方向夹角θ=45°。
参见图9所示，为实施例二中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图，参见图10所示，入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图，可以看出位相差在2200nm到4800nm之间的超宽波长范围内，透射电场两正交分量的位相差变化低于π/2的2%，满足四分之一波片必要的位相差条件，实现了超宽带。
实施例三：一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，波片单元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构，
基片形状为正方形，其边长P=850nm，正交十字银纳米棒结构的高度H=140nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=210nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=630nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=165nm。入射光偏振角度与x方向夹角θ=45°。
参见图11所示，为实施例三中亚波长透射式二维金属波片的透射光的相位及位相差随入射波长变化分布图，参见图12所示，入射光偏振角度沿着x和y轴方向入射时透过率随波长变化分布图，可以看出位相差在2500nm到5000nm之间的超宽波长范围内，透射电场两正交分量的位相差变化低于π/2的2%，满足四分之一波片必要的位相差条件，实现了超宽带。
Claims (5)
1.一种亚波长超宽带透射式二维金属波片，由若干周期性的波片单元构成，其特征在于：所述波片单元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字银纳米棒结构，
所述基片为正方形基片，其边长P为800~1000nm，
所述正交十字银纳米棒结构的高度H为100~150nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W为200~300nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx为550~650nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly为150~170nm。
2.根据权利要求1所述的亚波长超宽带透射式二维金属波片，其特征在于：所述基片为正方形基片，其边长P=950nm，所述正交十字银纳米棒结构的高度H=125nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
所述正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=600nm，
所述正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
3.根据权利要求1所述的亚波长超宽带透射式二维金属波片，其特征在于：所述基片为正方形基片，其边长P=880nm，所述正交十字银纳米棒结构的高度H=100nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=300nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=560nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=160nm。
4.根据权利要求1所述的亚波长超宽带透射式二维金属波片，其特征在于：所述基片形状为正方形，其边长P=850nm，所述正交十字银纳米棒结构的高度H=140nm，
正交十字银纳米棒结构的第一长度与基片的边长长度相等，
正交十字银纳米棒结构的第一宽度W=210nm，
正交十字银纳米棒结构的第二长度Lx=630nm，
正交十字银纳米棒结构的第二宽度Ly=165nm。
5.根据权利要求1所述的亚波长超宽带透射式二维金属波片，其特征在于：当线偏振光入射时，其偏振角度随波长的改变而改变，使得振幅分量Ex =Ey，而所述金属波片的位相分布保持不变。
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