超表面偏振調控器的制造方法
【專利摘要】本專利公開了一種超表面偏振調控器件。該器件由五層結構組成，頂層和底層為周期金屬微結構層，中間層為金屬薄膜層，頂層、底層與中間金屬層由絕緣介質層隔開。器件工作在近紅外波段，體系的整體厚度遠小于工作波長；對于正入射的電磁波，透射率超過80％；通過調節結構的幾何參數和相關材料的物理性質，兩個不同分量(x分量和y分量)透射波之間的相位差可覆蓋0度到360度整個相位區間，從而可實現對電磁波偏振態的自由調控，如線偏振入射的電磁波其透射偏振態可轉化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，甚至完全偏振反轉。
【專利說明】
超表面偏振調控器
技術領域
[0001 ]本專利涉及光學器件技術領域，具體涉及一種超表面偏振調控器件。
【背景技術】
[0002] 橫波性(偏振性)作為光的基本特征之一，在極大的程度上影響和決定了光的性質 及其在各方面的應用。為了探測光波的偏振態，我們常常需要借助于"光偏振器件"來判定 它們的偏振類別。在各種光學儀器中，為了獲得所需的偏振態，我們還經常需要實現不同偏 振狀態之間的轉化。用來檢測、選擇或轉化光波/電磁波偏振態的偏振器件應用需求越來越 廣，對器件性能的要求也越來越高，不但要求器件具有很高的效率，而且期許其向小型、微 型化發展，以便于集成于現代各種復雜的光電子設備中。傳統的調控光波偏振狀態的方法 包括利用光柵、雙色材料，或是利用布魯斯特現象、雙折射現象等。這些方法各有特點，但一 個共同的缺點是這些體系都不是全反射(或全透射)的，因而在應用的過程中總有一定信號 損失的問題。而且傳統方法由于受到常規自然材料本身物理性質的限制，通常只能工作在 一定的較窄的波段范圍，工作波長發生了變化，就得尋找新的材料，乃至調控方法也要發生 改變。
[0003] 隨著超材料(Metamaterial )，尤其是超表面(Metasurface)的出現，人們操控電磁 波/光波行為的方法進一步多樣化。超材料是指一種具有天然媒質所不具備的超常物理性 質的人工復合結構或復合材料，其特性主要取決于其構成的亞波長人工結構子單元。通過 調節子單元結構的幾何尺寸和排列的周期序，人們可以設計和調控超材料的等效介電常 數和等效磁導率。而超表面則是指一種準二維平面化的超材料結構，通過對微結構的設計， 它一般不但具有三維體超材料所具有的超強電磁波調控能力，與其相比，它還具有體積小、 損耗低、易于片上集成等諸多優點，近來已引起了人們的廣泛關注。本專利正是一種基于超 表面的偏振調控器。
【發明內容】
[0004] 本專利要解決的技術問題是，提供了一種可以實現對光波偏振態自由調控的超表 面偏振調控器。
[0005] 本專利旨在利用超表面的理念設計制作一種超薄光波偏振調控器。在近紅外波段 (0.8μπι~2.5μπι)，其透射率可高達80%以上，且透射波的偏振模式可以根據需求任意調控。
[0006] 本專利解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0007] 所述的超表面偏振調控器件由五層結構組成，器件的頂層和底層為金屬微結構層 3,中間層為金屬薄膜層1，頂層、底層與中間層之間由絕緣介質層2隔開;頂層和底層的金屬 微結構層3對于X軸和y軸具有周期性，對于X軸、y軸和ζ軸具有軸對稱性，頂層和底層的金屬 微結構層3在X方向和y方向幾何尺度不同，整體呈現各向異性;對于X和y偏振入射電磁波， 其在這兩個方向的透射波會有相位差;通過調節金屬微結構層3的幾何參數，其X和y偏振的 透射波的相位差可覆蓋〇度到360度整個相位區間；對于線偏振態的入射波，其透射波偏振 態可被轉化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，乃至完全偏振反轉;對于圓偏振態的入射波，其 透射波偏振態可被轉化為線偏振，橢圓偏振，或左旋與右旋圓偏振之間的相互轉化；
[0008]所述的金屬微結構層3的厚度為40-65nm，材料為金、銀或鋁；
[0009]所述的金屬薄膜層1的厚度為15-25nm，材料為金、銀或鋁；
[0010] 所述的絕緣介質層2的材料為氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或硫化鋅，材料為氧化鋁 時的厚度為10-35nm〇
[0011] 在所述的超表面偏振調控器件結構表面加蓋一層防止表面金屬微結構氧化的超 薄介質層，超薄介質層的材料為氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或硫化鋅。
[0012] 當電磁波正入射到該結構表面時，首先將被頂層的金屬微結構與中間層金屬薄膜 所構建的微腔所束縛，由于中間層金屬厚度很薄，因此電磁波又會被耦合到底層金屬微結 構與中間層所構建的微腔再從底層發射出去，從而保證體系具有很高的透射率。
[0013] 假設偏振調控器放置在xy平面內，其中金屬微結構長邊平行于X軸，短邊平行于y 軸，電磁波從z方向入射，偏振方向與X軸呈45度夾角。由電磁場理論可知，電磁場可沿X軸和 y軸分解為兩個不同偏振的分量。對于這兩個不同偏振的分量，因上一步所闡述的機理，都 可以實現高透射，但由于兩方向結構體系有所不同（主要是幾何尺度不同），因此在具體工 作模式上會有差別，一個是對稱共振模式起主導作用，另一個是反對稱共振模式起主導作 用。這個差別將導致兩個不同方向透射分量具有不同的透射相位，即兩個方向上透射分量 具有相位差。
[0014] 如果相位差Δφ=±π.，則可實現偏振的完全反轉。假設入射波為s偏振，則透射波為 Ρ偏振;入射光為左旋圓偏振，則透射光為右旋圓偏振。
[0015] 如果相位差Δφ=±π/2，則可實現線偏振與圓偏振態之間的相互轉化。
[0016] 本專利的優點在于:器件工作在近紅外波段，體系的整體厚度遠小于工作波長； 對于正入射的電磁波，透射率超過80 %;通過調節結構的幾何參數和相關材料的物理性質， 兩個不同分量透射波之間的相位差可覆蓋整個〇到360度相位區間，從而可實現對電磁波偏 振態的自由調控，如線偏振入射的電磁波其透射偏振態可轉化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏 振，甚至完全偏振反轉。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本專利超表面偏振調控器示例三維結構示意圖；
[0018] 圖2為本專利超表面偏振調控器沿電磁波傳播方向的截面示意圖；
[0019] 圖3為本專利超表面偏振調控四分之一波片示例波長與相位差和偏振轉化率關系 圖；
[0020] 圖4為本專利超表面偏振調控半波片示例波長與相位差和偏振轉化率關系圖。
[0021] 附圖標記說明：1:金屬薄膜層、2:絕緣介質層、3:金屬微結構層。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本專利做進一步說明，但不限定本專利。
[0023]實施例1.超表面偏振調控四分之一波片
[0024]如圖1和圖2所示的超表面偏振調控器，中間金屬層（1)材料為銀(Ag)，其厚度為h = 20nm。上下絕緣介質層(2)材料相同，為氧化錯(AI2O3)，其厚度均為d = 25nm。頂層和底層 微結構層(3)材料與中間金屬薄膜層（1)相同，為金屬銀(Ag)顆粒，該顆粒周期性的附著在 絕緣介質層（2)上，其厚度為t = 60nm，微結構單元周期為370nm。波片是由若干單元周期結 構陣列組成，例如圖1所示，6X6單元結構的陣列。通過調節頂層和底層(3)金屬微結構層的 長度和寬度可得到所需的相位差Δφ。這里我們設計超表面偏振調控器具有四分之一波 片的功能，即要求X方向和y方向透射分量相位差Δφ=π/2。通過全波數值模擬的方法優化 可得，金屬微結構的長和寬分別為180nm和140nm時，可以實現工作波長為1.35μηι附近的四 分之一波片功能。整個偏振調控器的厚度只有190nm，遠小于工作波長（1.35μπι)，因此器件 可視作準二維平面結構。假設一束s偏振(偏振方向與X軸呈45度夾角）電磁波垂直入射到器 件上，通過理論分析結合數值模擬計算，可得該器件的偏振轉化率PCRq Wp= I ts-lep I 2/( I ts-lcp 2+1 t?P 12)，其中ts-lcp、t?P為透射系數，分別表征S偏振入射波轉化為左旋圓偏振透射波 和右旋圓偏振透射波的能力。圖3分別給出了 X和y偏振透射分量相位差及偏振轉化率PCRqwp 與波長之間的關系。從圖中可以看出在波長1.35μπι附近X方向和y方向透射波相位差 Δφ = π/2,而偏振轉化率PCRW接近為1，這說明我們可以在1.35μπι附近實現完美的四分 之一波片功能。
[0025]實施例2.超表面偏振調控半波片
[0026] 超表面偏振調控器實現半波片的功能即要求在某波段或頻點實現X方向和y方向 透射分量的相位差Δφ=Τ1：且有較高的偏振轉化率PCR hwp，這里偏振轉化率定義為PCRh PW= ts-P 12/( I ts-P 12+ I ts-s 12)，其中ts-s、ts-P為透射系數，分別表征s偏振入射波經過波片后偏振 態保持不變和轉化P偏振透射波的能力。除頂層和底層金屬微結構的長和寬分別為190nm、 130nm外，其它結構參數與實施例1中完全相同。圖4給出了X和y偏振透射分量相位差及偏振 轉化率PCRh wp與波長之間的關系。由圖可知，波長為1.36μπι附近X方向和y方向透射波相位差 Δφ = π，而偏振轉化率PCRhwp接近為1，即滿足半波片功能條件。
[0027] 這里需要說明的是:第一，上述實施例中雖只闡述通過優化金屬微結構的長寬實 現透射波偏振態的調控，但也可以通過調節金屬微結構層(3)，中間金屬薄膜層（1)和絕緣 介質層(2)的厚度，以及介質層的物理性質來調控透射波的偏振態。且不僅可以實現線偏振 光轉化為圓偏振光（四分之一波片），線偏振光轉化為與之相互正交線偏振光(半波片），而 且可以實現橢圓偏振光與線偏振光之間的相互轉化，以及左旋圓偏振光與右旋圓偏振光之 間的相互轉化。
[0028] 第二，在實際結構中，上述基于超表面的偏振調控器是設計在玻璃(Si02)基底上 的，但可以根據不同的需要選擇不同的基底。對于采用銀，鋁等易于氧化的材料結構體系， 在結構制作完成后，可在表面生長抗氧化薄層，理論和模擬計算表明，該抗氧化膜層對整體 性能影響不大。
[0029]以上用具體實例對本專利的原理和實施方式進行闡述，只是為了幫助理解本專 利，不應對本專利的權利要求所保護的范圍有所限制。
【主權項】
1. 一種超表面偏振調控器件，該器件包括金屬微結構層(3)、金屬薄膜層（1)、絕緣介質 層(2)，其特征在于： 所述的超表面偏振調控器件由五層結構組成，器件的頂層和底層為金屬微結構層(3)， 中間層為金屬薄膜層（1)，頂層、底層與中間層之間由絕緣介質層(2)隔開;頂層和底層的金 屬微結構層(3)對于X軸和y軸具有周期性，對于X軸、y軸和z軸具有軸對稱性，頂層和底層的 金屬微結構層(3)在X方向和y方向幾何尺度不同，整體呈現各向異性;對于X和y偏振入射電 磁波，其在這兩個方向的透射波會有相位差;通過調節金屬微結構層(3)的幾何參數，其X和 y偏振的透射波的相位差可覆蓋0度到360度整個相位區間;對于線偏振態的入射波，其透射 波偏振態可被轉化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，乃至完全偏振反轉;對于圓偏振態的入 射波，其透射波偏振態可被轉化為線偏振，橢圓偏振，或左旋與右旋圓偏振之間的相互轉 化； 所述的金屬微結構層(3)的厚度為40-65nm; 所述的金屬薄膜層(1)的厚度為15-25nm; 所述的絕緣介質層(2)的材料為氧化鋁時的厚度為10_35nm。2. 根據權利要求1所述的一種超表面偏振調控器件，其特征在于:在所述的超表面偏振 調控器件結構表面加蓋一層防止表面金屬微結構氧化的超薄氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或 硫化鋅的介質層。
【文檔編號】G02F1/01GK205608331SQ201620028538
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月13日
【發明人】郝加明, 李虎, 李志偉, 許昊, 俞偉偉, 楊名, 戴寧
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所