CN109901257A - 一种可见光超材料偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光超材料偏振转换器，组成该光学特异材料的单元结构在xy平面内呈周期性排布；每个周期性结构为两根相同尺寸的金属纳米棒，二者长轴相互垂直；具有一定厚度的金属薄膜为该光学特异材料的衬底，主要起避免入射光透射的作用。因此，该光学特异材料是一种新型超材料偏振转换器，具有全金属的结构，其偏振转换效率超过90％。通过将传统的金属‑绝缘体‑金属(MIM)模型进行必要的简化，大大降低了材料加工的难度，同时也减少了影响材料性能的可变量。因此，该光学特异材料是一种高效可靠、性能稳定的超材料偏振转换器，在光电器件研发中具有十分重要的应用。

Description

一种可见光超材料偏振转换器

技术领域

本发明涉及一种在可见光波段内实现高效偏振转换的可见光超材料偏振转换器，属于表面等离激元纳米光子学领域。

背景技术

超材料，本世纪材料学研究领域的热门话题之一，凭借其独特的人工微纳结构和新奇的物理性质，引起了国内外众多科研人员的兴趣。近年来，随着超材料研究工作的逐渐开展，其理论日渐成熟，其应用范围也从光学领域逐步延伸到通信、能源、生命医学等领域，形成一系列交叉学科。通过人为地设计并且嵌入人工谐振单元，从而与入射的光或者电磁波发生一系列的相互作用。通过这样的一个过程，实现了对入射光或者电磁波的强度、偏振方向、传播方向等光学特性的人为调控。

偏振(极化)方向是电磁波特有的一种物理性质，包括线偏振和圆偏振两种状态。因此，对于电磁波偏振方向的操控在通信、医疗诊断、航空航天等方面有着十分重要的应用。在过去，利用双折射晶体来改变偏振方向是一种比较常见的技术手段，其工作带宽较窄，体积较大，加工难度大，转换效率有限。显然，自然材料所存在的固有缺陷，在现代光电器件研发过程中是不适用的。随着超材料研究的理论深入，微纳加工水平的大幅度提高，科研人员提出超材料偏振转换器。通过设计纳米结构，从而实现灵活控制反射光偏振方向的效果。调整所设计的微纳结构的参数，工作带宽和工作波长可以灵活掌握，偏振转换效率也远远高于传统方法。因此，超材料偏振转换器具有更大的应用前景。

可见光是一种人眼可识别的电磁波，其波长范围为400—780nm，与我们的生活息息相关。实现可见光波段的偏振转换，对于开展光学成像等领域的研究有重要的意义。目前，人们可以通过超材料在太赫兹、微波、红外等波段实现了非常理想的偏振操控。显然，构成超材料的微纳结构的尺寸参数对于最终实现的效果是至关重要的，因此微纳加工是生产器件的关键环节。然而，对于可见光波段，结构的尺寸相比于其它波段而言是非常小的。结合当前工艺水平，我们有必要在可见光波段提出一种易于加工，易集成在各种光电器件里面的超材料微纳结构。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种在可见光波段能够实现高效偏振控制的可见光超材料偏振转换器，具有效率高、易加工、性能稳定等优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明设计了一种可见光超材料偏振转换器，该可见光超材料偏振转换器由位于金属衬底上的多个周期性结构单元在xy平面内呈周期性排列构成；其中，每一个周期性结构单元由长轴互相垂直的两条金属纳米棒即第一金属纳米棒、第二金属纳米棒构成；该金属衬底为一层金属薄膜，主要起避免入射光透射的作用。

所述的第一金属纳米棒、第二金属纳米棒以及底层金属衬底均为金或者银材料。

所述的两条金属纳米棒，即第一金属纳米棒、第二金属纳米棒的长度L＝230±30nm，宽度w＝80±30nm，厚度应满足120nm<t<150nm。

两条金属纳米棒之间顶角的间隙0nm＜g＜50nm。

金属衬底的厚度T＞＞120nm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：该可见光超材料偏振转换器可以在可见光波段实现高效的偏振转换，并且可以通过调整结构的参数来灵活改变其工作波长。构成该可见光超材料偏振转换器的结构单元在xy平面内呈周期性排列；每个结构单元由正交排列的金属纳米棒以及下面的金属衬底组成。在没有微纳结构的情况下，具有一定厚度的衬底对于入射的偏振光而言是一个完美的反射镜。引入的人工微纳结构与入射偏振光的相互作用将引发等离激元共振，将会在xy方向上产生相同效果的场增强Ex和Ey。假定入射光的偏振沿y方向，那么Ey电场分量和入射光所携带的电场p_y干涉相消，Ex分量将会产生偏振沿x的反射光。由此，入射在该光学特异材料上的线偏振光经反射后，偏振方向发生了90°的改变。本发明所设计的可见光超材料偏振转换器结构为全金属的结构，与传统的三明治结构相比，去掉了中间的半导体夹层。在本可见光超材料偏振转换器中，金属结构和金属衬底之间较强的耦合作用，导致等离激元共振波长向短波长处移动。从而目标工作波长对应更大的人工微纳结构尺寸，很大程度上降低了器件加工的难度。与传统的三明治结构相比，全金属结构更具稳定性，一方面去掉二氧化硅夹层之后，影响最终效果的可变量减少，性能更加稳定；另一方面，金属结构与金属衬底之间的黏附能力更强，因此在实际应用的过程中具有更强的稳定性。此外，通过对于结构参数的动态调整，可灵活选择其工作波长。综上所述，我们所提出的可见光超材料偏振转换器具有易加工、高效率、稳定性高、应用灵活等优点。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图。

图2是本发明中单个结构三维示意图。

图3是本发明中单个结构的顶视图与前视图。

图4是本发明中，入射光沿-z方向传播，y偏振光经反射被转换为x偏振光的反射系数图。

图5是本发明中，在对应的工作波长内的偏振转换比率图。

图6是本发明中，x偏振光和y偏振光的反射强度。

图7是本发明中，共振波长处结构表面的电流分布。

图8是本发明中，微纳结构的厚度逐渐增加，其偏振转换效率的变化的示意图。

图中有：第一金属纳米棒1、第二金属纳米棒2、周期性结构单元3、金属衬底4。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案及良好的效果，下面对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至3所示，本发明提出了可见光超材料偏振转换器，该结构在xy平面内呈周期性排列。两条正交排列的金属纳米棒为该周期性结构的重要组成部分。二者的长轴分别沿ox和oy方向。oz方向垂直于两条金属纳米棒组成的二维平面。所述金属纳米棒平铺在具有一定厚度的金属衬底上，金属衬底为具有一定厚度的金或银薄膜。

作为优选，所述的金属纳米棒的结构参数设置为：L＝230nm，w＝80nm，g＝30nm；其周期p＝600nm。在该条件下，入射的线偏振光可以高效率地实现90°的偏振旋转。

进一步，为保证入射光能够被完全反射，金属衬底的厚度T＞＞120nm。

本发明所提出的可见光超材料偏振转换器可通过现代常见的微纳加工技术进行样品制备甚至器件的生产，如电子束曝光技术(EBL)，聚焦离子束刻蚀(FIB)。对于我们所提出的结构，以电子束曝光刻蚀的方法为宜，同时要结合较为成熟的镀膜工艺。首先，在平整度较高的二氧化硅衬底上镀一定厚度的金属薄膜作为反射镜，根据前面所述可知薄膜的厚度应保持在120nm以上，从而能保证入射到材料表面的光可以被完全反射回去。接下来，在进行电子束曝光之前，应在金属薄膜上旋涂光刻胶(如PMMA)，经电子束曝光加工，光刻胶薄膜上会出现目标图案的凹槽。再经热蒸镀过程，经丙酮溶液洗去未曝光位置处的残胶。经过上述过程，可加工出全金属材料的超材料偏振转换器。

本发明所述的可见光超材料偏振转换器，其英文全称为metamaterialpolarization convertor。这里的偏振转换是指将线偏光的偏振方向旋转90°。由于我们所提出的结构模型为全金属的结构，因此是对反射模式的光进行偏振方向的人为操控。

本发明所提出的可见光超材料偏振转换器，涉及到在可见光波段中偏振方向的操控，同时也对传统的金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal)进行简化与改进，目的是降低器件的加工难度，同时也提高材料在实际应用过程中的稳定性。利用该可见光超材料偏振转换器中的金属纳米结构，实现了可见光波段内的线偏振光的偏振方向控制。当x(或y)偏振光沿-z方向入射，经过与等离激元共振所产生的电场相互作用，反射光的偏振方向转换为y(或x)方向，从而反射光实现了高效的偏振转换。此外，通过动态调整两根金属纳米棒的长度L与结构的周期p，可以动态调节偏振转换的工作波长。综上，本发明所提出的可见光超材料偏振转换器具有易加工、稳定性高、易加工等优点。

以上所述可见光超材料偏振转换器，当线偏振光入射到材料表面，其携带的电场分量驱动两根正交排列的金属纳米棒产生等离激元共振，且两根金属纳米棒之间具有强耦合作用。该可见光超材料偏振转换器纳米结构表面可激发两种模式的等离激元共振，低频处存在电偶极模式，高频处对应磁偶极模式。之后可通过调整结构层的厚度，使得两种等离激元共振模式聚合在一起，叠加成一个较宽的工作范围。调整金属纳米棒的尺寸与单个结构的周期，本发明所提出的可见光超材料偏振转换器也可以应用于太赫兹、微波、红外等波段，从而在通信、航天、军事探测等领域发挥重要的作用。

对图1、2、3所提出的结构单元，利用三维电磁仿真软件进行仿真模拟，取入射光为y偏振光入射到材料表面。图4是当y偏振光入射到材料表面所得到的反射光谱。可以清楚地看到，在可见光范围内实现了高效的偏振转换，尤其是在650-720nm范围内，偏振转换的效率甚至超过了90％。偏振转换比率(polarization conversion ratio)可定义为:PCR＝r_xy/(r_xy+r_yy)。图5是根据该关系式计算得到的偏振转换比，在650-720nm范围内，偏振转换比接近1，这说明在这个波段内几乎所有的y偏振光转换为x偏振光。从而得到了高效的偏振转换效果。为进一步说明所述可见光超材料偏振转换器的物理机制，图6为通过电磁仿真可得到两种不同偏振方向反射光的反射光强度示意图。在λ₁＝658nm和λ₁＝694nm时，y偏振(即未发生偏振转换)的反射光的光谱强度接近0.实际上，这两种条件对应着两种不同模式的等离激元共振。图7给出了两个共振波长处的表面电流分布图，在短波长处，等离激元共振为磁偶极模式，然而，在长波长处，两根金属纳米棒之间耦合强度较强，是一种电偶极模式。以上结果对应的结构参数：纳米金属棒长度L＝230nm，宽度w＝80nm，间隙g＝30nm；结构的周期p＝600nm。此外，可见光超材料偏振转换器金属衬底和微纳结构选用金材料。在图8中，随着结构层厚度的增加，偏振转换效率r_xy也发生明显的变化。两种等离激元共振模式逐渐叠加在一起，提高了偏振转换的效率；与此同时，共振波长也向长波长处红移，带宽也明显变宽。

上述实验论证为可见光波段的可见光超材料偏振转换器，只需要对结构参数以及实验条件等进行简单的调整，本领域的工程技术人员可在可见光波段内实现高效的偏振转换效果。此外，在此基础上，所提出的模型设计、技术方案、物理规律等也可灵活地推广到红外、太赫兹、微波等波长范围。

尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了详细的描述，但是并非对其进行了限制，上述的具体实施方式仅仅是示范性的，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，对其中某些部分进行修改和替换，而这些修改和替换，并未脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，均属本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种可见光超材料偏振转换器，其特征在于，该可见光超材料偏振转换器由位于金属衬底(4)上的多个周期性结构单元(3)在xy平面内呈周期性排列构成；其中，每一个周期性结构单元(3)由长轴互相垂直的两条金属纳米棒即第一金属纳米棒(1)、第二金属纳米棒(2)构成；该金属衬底(4)为一层金属薄膜，主要起避免入射光透射的作用。

2.按照权利要求1所述的可见光超材料偏振转换器，其特征在于，所述的第一金属纳米棒(1)、第二金属纳米棒(2)以及底层金属衬底(4)均为金或者银材料。

3.按照权利要求1所述的可见光超材料偏振转换器，其特征在于，所述的两条金属纳米棒，即第一金属纳米棒(1)、第二金属纳米棒(2)的长度L＝230±30nm，宽度w＝80±30nm，厚度应满足120nm<t<150nm。

4.按照权利要求1所述的可见光超材料偏振转换器，其特征在于，两条金属纳米棒之间顶角的间隙0nm＜g＜50nm。

5.按照权利要求1所述的可见光超材料偏振转换器，其特征在于，金属衬底(4)的厚度T＞＞120nm。