一種能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片的亞波長金屬微結構陣列的制作方法
【專利說明】一種能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片的亞波長金屬 微結構陣列
[0001] 本發明得到國家自然基金11304226的資助。
技術領域
[0002] 本發明涉及實現雙頻段單向圓偏振片功能的亞波長金屬微結構陣列設計，特別是 一種能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片的亞波長金屬微結構陣列。
【背景技術】
[0003] 實現對光偏振的有效調控具有重要的意義，不僅能加深對光與物質相互作用機制 的理解，而且在其它許多方面也有重要的應用前景。比如說，最簡單的光偏振操控器件就是 偏振片。偏振片可以定義為一個偏振過濾器件，允許特定的偏振的光通過，而使得不需要的 偏振的光不通過。常用的偏振片有線偏振片和圓偏振片。比如圓偏振片，該偏振片可以讓 左（右）旋圓偏振光通過，而禁止右（左）旋圓偏振光通過。偏振片在光通信、全光網絡、光 計算和顯示成像中都有重要的應用，比如利用偏振片對偏振選擇的特性實現三維顯示，還 有偏振片也廣泛的應用于液晶顯示器件中。作為一個有著實際應用的器件，有各種各樣的 方法和材料來實現偏振片，如利用光學材料吸收特性的吸收型偏振片，還有利用光學晶體 各向異性所實現的偏振片，如沃拉斯頓棱鏡。本專利所實現的是圓偏振片。圓偏振片是目 前用來實現顯示成像技術中非常關鍵的器件，特別是三維顯示技術。目前也有一些方法來 實現圓偏振片，比如利用四分之一波片和線偏振片組合可以實現圓偏振片的功能。
[0004] 亞波長金屬微結構材料是由亞波長金屬微結構單元構成的，能夠實現特定光學特 性的結構性材料。該材料所體現的光學性能主要依賴于所構成單元結構的金屬材料和金屬 的幾何結構，因此改變單元中含有的金屬微結構的幾何結構可以顯著地改變該材料的光學 響應，可以實現較為豐富的光學響應，如各向異性、旋光活性和磁電親合。利用微結構材料 可以很好的操控光的偏振特性，可以實現與偏振密切相關的一些非常有實際應用的現象， 為在金屬微結構材料中實現偏振片提供可能。如2007年，英國南安普敦大學光電研宄中心 的Zheludev小組，發現可以在單層的亞波長金屬微結構材料中可以實現對圓偏振光的非 對稱傳輸，而該單層亞波長金屬微結構材料非常薄，僅僅為幾十分之一個波長，隨后又發現 許多與偏振相關的非對稱傳輸現象，包括線偏振和圓偏振光。除了和偏振有關的光學現象 之外，利用金屬微結構材料實現偏振的操控也有大量的研宄。主要的研宄內容放在實現深 亞波長厚度偏振的旋轉和圓偏振片的實現上。如2009年，德國的Wegener小組在Science 上報道了利用亞波長金屬微結構材料實現圓偏振片的實驗。
[0005] 綜上所述，利用亞波長金屬微結構材料實現圓偏振片有如下一些優點：1，隨著現 在微納加工技術的發展，亞波長金屬微結構材料結構簡單易于加工；2,該結構型材料厚度 非常薄，處于亞波長區間，便于實現光學器件的集成；3,結構主要決定光學特性，因此在設 計器件時非常靈活方便，使得工作波長可以靈活調節，不完全受限于材料的光學性質。可 見，利用亞波長金屬微結構材料實現偏振操控器件有著非常重要的現實需求。但是現有的 利用亞波長金屬微結構材料實現圓偏振片的設計和技術中，實現多個工作頻段的圓偏振片 仍然面臨著諸多技術上的困難，需要集成多個諧振結構來實現，結構復雜難于加工，因此尋 求金屬微結構材料單元結構簡單易于加工的圓偏振片具有非常重要的意義。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是針對上述存在的問題，提出一種結構簡單、加工容易、適用面廣的 能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片的亞波長金屬微結構陣列。
[0007] 為實現上述目的，本發明公開了如下的技術方案： 一種能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片功能的亞波長金屬微結構陣列，其特征 是：包括兩層亞波長金屬微結構陣列和中間襯底層，亞波長金屬微結構陣列位于襯底層的 兩面，上層亞波長金屬微結構陣列的單元由Z字形金屬線構成，而下垂亞波長金屬微結構 陣列的單元由連續金屬線構成，中間層的襯底材料為玻璃，金屬層的材料為金。
[0008] 其中所述構成亞波長金屬微結構陣列的單元，正方形單元尺寸為250 nmX250 nm;上層Z字形金屬結構采用金，其長度為180 nm、Z字形的臂長為150 nm、寬度為50 nm、 厚度為30 nm;中間襯底層為玻璃，厚度為30 nm;下層金屬結構為連續的金屬線，材料為 金，長度為250 nm，寬度為120 nm，厚度為100 nm。
[0009] 所述的單向圓偏振片的亞波長金屬微結構陣列工作頻段的中心頻率分別位于 168. 4 THz和363. 6 THz;在第一工作頻率位置處，168. 4 THz，光從上層金屬結構垂直入 射，對于入射為左旋圓偏振光的話，該結構輸出光強為0. 42,而對于右旋圓偏振光入射的 話，輸出光強為〇. 〇 1，幾乎為〇，可以達到左旋圓偏振光輸出，而右旋圓偏振不光輸出的特 性，從而實現圓偏振片的功能；對比度1為完美的偏振片，在中心頻率168. 4 THz的對比度 為0. 95,對比度達到0. 5的帶寬為34 THz ;而在第二工作頻率位置處，363. 6 THz，光從上 層金屬結構垂直入射，對于入射為左旋圓偏振光的話，該結構輸出光強為〇. 04,幾乎為0， 而對于右旋圓偏振光入射的話，輸出光強為0. 646,可以達到左旋圓偏振光不輸出，而右旋 圓偏振光輸出的特性，從而實現圓偏振片的功能；對比度1為完美的偏振片，在中心頻率 363. 6 THz的對比度為0. 88,對比度達到0. 5的帶寬為72. 4 THz，在第一和第二工作頻率 處，該結構體現的圓偏振光輸出特性是不同的，但都可以實現圓偏振片的功能。如果變換入 射光的方向，若光從底層金屬結構垂直入射，該結構所能實現的偏振片的功能就會消失，無 論入射的左旋還是右旋圓偏振光，在兩個工作頻率，都輸出同樣的光強，不可以區分左右旋 圓偏振，不可以作為圓偏振片在該入射方向。
[0010] 本發明進一步公開了能實現工作于兩個頻段的單向圓偏振片功能的亞波長金屬 微結構陣列在用于顯示成像、光通訊、光學計算不同電磁方面的應用。特別是在提高紅外成 像設備的集成度方面的應用。結果顯示： (1) 圓偏振片第一工作頻段中心頻率為168. 4 THz，厚度僅為0. 09個波長，輸出光強對 比度為0. 95. (2) 圓偏振片第二工作頻段中心頻率為363. 6 THz，厚度僅為0. 194個波長，輸出光強 對比度為0.88. (3) 光從上層金屬結構入射時，金屬微結構陣列體現圓偏振片的偏振選擇特性，如果反 向入射，即從下層金屬結構入射時，金屬微結構陣列不體現圓偏振片的偏振選擇特性。
[0011] 本發明更加詳細的描述如下： 所述構成亞波長金屬微結構陣列的單元，正方形單元尺寸為250 nmX 250 nm;該有效 結構含有三層材料，為金屬-玻璃-金屬構型；上層單元結構為Z字形金屬結構，采用金，其 長度為180 nm、Z字形的臂長為150 nm、寬度為50 nm、厚度為30 nm;中間襯底層為玻璃， 厚度為30 nm;下層金屬單元結構為連續的金屬線，材料為金，長度為250 nm，寬度為120