CN102928909B - 一种基于表面等离激元的相位延迟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离激元的相位延迟器，现有关于光学相位调制器的发明与研究多是基于双折射晶体，液晶等传统光学器件，这些设计只适用于较大尺度的光学器件，不利于集成化。本发明利用金属的表面等离激元特性，将相位延迟器缩小到纳米量级，并且可以通过改变纳米颗粒的尺寸结构，有效地对特定波长的光实现相位延迟。该结构可以被应用到各种光学检测紧密仪器中。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，涉及一种贵金属纳米结构，具体是一种基于表面等离激元的相位延迟器。
背景技术
在光学元件领域，相位延迟器能对特定偏振方向的光产生附加光程差。最常见的相位延迟器即波片。波片利用的基本原理是材料的双折射性质，即材料在不同方向上对于光的折射率不同。其中半波波片能够改变线偏振光的偏振方向，四分之一波片能够将线偏振光转变为圆偏振光。此外，液晶相位调制器能实现可调的相位变化。这一系列基本元件已经被广泛应用于各种光学精密仪器中，用于光谱、光学检测等领域。
经过对于传统光相位调制器的文献检索发现，最小的相位延迟波片在尺寸上最薄能够达到几百微米。而伴随着集成光学与现代精密加工工艺的飞速进步，片上集成光学器件的尺度也随之不断小型化，达到纳米尺度。在这一量级上，由于材料本身双折射特性以及折射率大小的限制，上述有关的设计原理不再能实现，因此目前还没有能制造出有效的纳米级相位延迟元件。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有构想与技术的不足，利用金属纳米结构的光学特性，提出了一种基于表面等离激元的相位延迟器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
本发明包括透明衬底以及金属纳米颗粒。
所述的透明衬底主要用于支撑金属纳米颗粒，采用各向同性且低色散的光学玻璃，不对入射光起调制作用。
所述的金属纳米颗粒对于入射光起主要的调制作用，金属纳米颗粒的形状可多种，包括盘状、球形、棒状、三角形；每三颗金属纳米颗粒为一组，且每组金属纳米颗粒的形状为其中一种或其中几种结构所构成的组合结构，每组金属纳米颗粒之间的边距大于100纳米，且多组金属纳米颗粒呈周期性阵列分布。通常金属纳米结构被设计为盘型结构，从集成光学与加工工艺方面考虑，盘型结构可通过掩膜，刻蚀，蒸镀或溅射来实现。
所述金属纳米颗粒的尺寸为亚波长级，其尺寸为：直径50纳米，厚度10纳米，每组金属纳米颗粒中颗粒与颗粒的边间距15纳米。金属纳米颗粒的尺寸和结构主要影响的是对于入射光调制的相位的大小。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用金属纳米颗粒的光学特性，相比现有元件来说体积大大缩小（厚度几十纳米到几百纳米），可以在材料界面上完成相位的调制，可以认为是一种二维相位延迟器。这样的结构易于大规模光学集成，可以作为光学检测仪器的重要元件。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明每组金属纳米颗粒的单元示意图；
图3为本发明的相位延迟谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的基于表面等离激元的相位延迟器为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。
如图1所示，一种基于表面等离激元的相位延迟器包括透明衬底1以及金属纳米颗粒。
所述的透明衬底主要用于支撑金属纳米颗粒，采用各向同性且低色散的光学玻璃，不对入射光起调制作用。
所述的金属纳米颗粒对于入射光起主要的调制作用，金属纳米颗粒的形状可多种，包括盘状、球形、棒状、三角形；每三颗金属纳米颗粒为一组，且每组金属纳米颗粒的形状为其中一种或其中几种结构所构成的组合结构，每组金属纳米颗粒之间的边距大于100纳米，且多组金属纳米颗粒呈周期性阵列分布。在图中，金属纳米结构被设计为盘型结构。从集成光学与加工工艺方面考虑，盘型结构可通过掩膜，刻蚀，蒸镀或溅射来实现。
如图2所示，在每一组金属纳米颗粒中，金属纳米颗粒形状为盘状，且材料是金和银，两种材料都在可见波段有较强的等离子体共振效应。通过两种材料颗粒的耦合效应，可在光谱上形成一个相位被调制的窗口，实现特定的相位延迟功能。通过替换金属纳米颗粒的材料，也可选择性地对于某个波长范围的光进行相位调制。图2中所示的金属纳米颗粒的尺寸为：直径50纳米，厚度10纳米，每组金属纳米颗粒中颗粒与颗粒的边间距15纳米。金属纳米颗粒的尺寸和结构主要影响的是对于入射光调制的相位的大小，图中所设计的结构对于目标波长可实现对正交的两个偏振引起的相位差。且图中中间的金属纳米颗粒2-2材料为金，两边的金属纳米颗粒2-2材料均为银。偏振光分量3、偏振光分量4相互正交，并入射到金属纳米颗粒上，然后与金属纳米颗粒在作用时发生等离子体共振，对偏振光分量3、偏振光分量4产生不同的相位延迟。
如图3所示是一种特定结构尺寸下的相位调制特性。在短波范围（<500nm），该结构基本对于光透明。在长波范围（590-650nm），纳米结构对于入射光的相位延迟达到 ，并且形成一个较宽带的窗口，能够实现传统的四分之一波片的功能，可将线偏振光与圆偏振光进行相互转换。所述金属纳米颗粒的尺寸为亚波长级。
相位延迟器的相位延迟功能由衬底上的金属纳米结构决定。在具体使用中，可以按照需求制造所需的结构。其中可以调整的参数有：纳米颗粒的形状、数量、大小、材料、间距等。从而相位差的大小、窗口位置、窗口宽度随之改变。这样就实现了基于表面等离激元的相位延迟器。
Claims (1)
1.一种基于表面等离激元的相位延迟器，包括透明衬底以及金属纳米颗粒；其特征在于：
所述的透明衬底主要用于支撑金属纳米颗粒，采用各向同性且低色散的光学玻璃；
所述的金属纳米颗粒对于入射光起主要的调制作用，金属纳米颗粒的形状为棒状；每三颗金属纳米颗粒为一组线状排列，中间金属纳米颗粒材料为金，两边金属纳米颗粒材料为银；每组金属纳米颗粒之间的边距大于100纳米，且多组金属纳米颗粒呈周期性阵列分布；
所述金属纳米颗粒的尺寸为亚波长级，其尺寸为：直径50纳米，厚度10纳米，每组金属纳米颗粒中金属纳米颗粒与金属纳米颗粒的边间距15纳米；所述的相位延迟器所获得的最大相位延迟1.5π，能够将线偏振光转化为圆偏振光。
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