一種超表面偏振調(diào)控器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超表面偏振調(diào)控器件。
【背景技術(shù)】
[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(zhì) 及其在各方面的應(yīng)用。為了探測(cè)光波的偏振態(tài)，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(xué)儀器中，為了獲得所需的偏振態(tài)，我們還經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)不同偏 振狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。用來檢測(cè)、選擇或轉(zhuǎn)化光波/電磁波偏振態(tài)的偏振器件應(yīng)用需求越來越 廣，對(duì)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(fā)展，以便于集成于現(xiàn)代各種復(fù)雜的光電子設(shè)備中。傳統(tǒng)的調(diào)控光波偏振狀態(tài)的方法 包括利用光柵、雙色材料，或是利用布魯斯特現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象等。這些方法各有特點(diǎn)，但一 個(gè)共同的缺點(diǎn)是這些體系都不是全反射(或全透射)的，因而在應(yīng)用的過程中總有一定信號(hào) 損失的問題。而且傳統(tǒng)方法由于受到常規(guī)自然材料本身物理性質(zhì)的限制，通常只能工作在 一定的較窄的波段范圍，工作波長(zhǎng)發(fā)生了變化，就得尋找新的材料，乃至調(diào)控方法也要發(fā)生 改變。
[0003] 隨著超材料(Metamaterial )，尤其是超表面(Metasurface)的出現(xiàn)，人們操控電磁 波/光波行為的方法進(jìn)一步多樣化。超材料是指一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性 質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其特性主要取決于其構(gòu)成的亞波長(zhǎng)人工結(jié)構(gòu)子單元。通過 調(diào)節(jié)子單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和排列的周期序，人們可以設(shè)計(jì)和調(diào)控超材料的等效介電常數(shù) 和等效磁導(dǎo)率。而超表面則是指一種準(zhǔn)二維平面化的超材料結(jié)構(gòu)，通過對(duì)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它 一般不但具有三維體超材料所具有的超強(qiáng)電磁波調(diào)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(yōu)點(diǎn)，近來已引起了人們的廣泛關(guān)注。本發(fā)明正是一種基于超表 面的偏振調(diào)控器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供了一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波偏振態(tài)自由調(diào)控的超表 面偏振調(diào)控器。
[0005] 本發(fā)明旨在利用超表面的理念設(shè)計(jì)制作一種超薄光波偏振調(diào)控器。在近紅外波段 (0.8μπι~2.5μπι)，其透射率可高達(dá)80%以上，且透射波的偏振模式可以根據(jù)需求任意調(diào)控。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0007] 所述的超表面偏振調(diào)控器件由五層結(jié)構(gòu)組成，器件的頂層和底層為金屬微結(jié)構(gòu)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(zhì)層2隔開;頂層和底層的金屬 微結(jié)構(gòu)3對(duì)于X軸和y軸具有周期性，對(duì)于X軸、y軸和ζ軸具有軸對(duì)稱性，頂層和底層的金屬微 結(jié)構(gòu)3在X方向和y方向幾何尺度不同，整體呈現(xiàn)各向異性;對(duì)于X和y偏振入射電磁波，其在 這兩個(gè)方向的透射波會(huì)有相位差;通過調(diào)節(jié)金屬微結(jié)構(gòu)3的幾何參數(shù)，其X和y偏振的透射波 的相位差可覆蓋〇度到360度整個(gè)相位區(qū)間；對(duì)于線偏振態(tài)的入射波，其透射波偏振態(tài)可被 轉(zhuǎn)化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，乃至完全偏振反轉(zhuǎn);對(duì)于圓偏振態(tài)的入射波，其透射波 偏振態(tài)可被轉(zhuǎn)化為線偏振，橢圓偏振，或左旋與右旋圓偏振之間的相互轉(zhuǎn)化；
[0008]所述的金屬微結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shí)的厚度為10-35nm〇
[0011] 在所述的超表面偏振調(diào)控器件結(jié)構(gòu)表面加蓋一層防止表面金屬微結(jié)構(gòu)氧化的超 薄介質(zhì)層，超薄介質(zhì)層的材料為氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或硫化鋅。
[0012] 當(dāng)電磁波正入射到該結(jié)構(gòu)表面時(shí)，首先將被頂層的金屬微結(jié)構(gòu)與中間層金屬薄膜 所構(gòu)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(huì)被耦合到底層金屬微結(jié) 構(gòu)與中間層所構(gòu)建的微腔再?gòu)牡讓影l(fā)射出去，從而保證體系具有很高的透射率。
[0013] 假設(shè)偏振調(diào)控器放置在xy平面內(nèi)，其中金屬微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(chǎng)理論可知，電磁場(chǎng)可沿X軸和 y軸分解為兩個(gè)不同偏振的分量。對(duì)于這兩個(gè)不同偏振的分量，因上一步所闡述的機(jī)理，都 可以實(shí)現(xiàn)高透射，但由于兩方向結(jié)構(gòu)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(huì)有差別，一個(gè)是對(duì)稱共振模式起主導(dǎo)作用，另一個(gè)是反對(duì)稱共振模式起主導(dǎo)作 用。這個(gè)差別將導(dǎo)致兩個(gè)不同方向透射分量具有不同的透射相位，即兩個(gè)方向上透射分量 具有相位差。
[0014] 如果相位差Δφ=±π，則可實(shí)現(xiàn)偏振的完全反轉(zhuǎn)。假設(shè)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(shí)現(xiàn)線偏振與圓偏振態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:器件工作在近紅外波段，體系的整體厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng);對(duì) 于正入射的電磁波，透射率超過80 %;通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和相關(guān)材料的物理性質(zhì)，兩 個(gè)不同分量透射波之間的相位差可覆蓋整個(gè)〇到360度相位區(qū)間，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波偏振 態(tài)的自由調(diào)控，如線偏振入射的電磁波其透射偏振態(tài)可轉(zhuǎn)化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏 振，甚至完全偏振反轉(zhuǎn)。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明超表面偏振調(diào)控器示例三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明超表面偏振調(diào)控器沿電磁波傳播方向的截面示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明超表面偏振調(diào)控四分之一波片示例波長(zhǎng)與相位差和偏振轉(zhuǎn)化率關(guān)系 圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明超表面偏振調(diào)控半波片示例波長(zhǎng)與相位差和偏振轉(zhuǎn)化率關(guān)系圖。
[0021] 附圖標(biāo)記說明：1:金屬薄膜層、2:絕緣介質(zhì)層、3:金屬微結(jié)構(gòu)層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明。
[0023]實(shí)施例1.超表面偏振調(diào)控四分之一波片