一种亚波长等离激元偏振转换器制造技术

本发明专利技术公开了一种亚波长等离激元偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；两个偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。当两个小孔的夹角为90度时，入射偏振片只允许一种偏振的电磁波耦合进入，而出射偏振片只允许与前者偏振方向正交的电磁波出射。利用正交的矩形小孔之间的近场耦合效应，该系统能够突破马吕斯定律的限制，使得电磁波产生有效的透射且偏振方向旋转90度。该转换器可用作单向传输器、亚波长开关和调制器。

【技术实现步骤摘要】
一种亚波长等离激元偏振转换器
本专利技术涉及一种亚波长等离激元偏振转换器，该转换器由一对刻有亚波长小孔的金属偏振片构成，它可以将电磁波的线偏振方向旋转90度。该转换器还可用作单向传输器、亚波长开关或调制器。
技术介绍
传统的偏振器及偏振转换器主要是基于自然材料的二向色性、双折射效应或光学活性等特性，由此可产生线偏振光或改变光波的偏振态。众所周知，利用二个线偏振片可产生线偏振光并可将光的偏振方向加以旋转。不过，根据马吕斯定律，光的透射效率将随着偏振片旋转角度0的增大而减小。当θ=90°时，光的透射效率变为0。这意味着，光无法通过两个极化方向正交的偏振片，利用正交的偏振片也无法获得偏振方向90度的旋转。与此不同，利用波片的双折射和相位延迟效应，入射光波的偏振方向或偏振态可有效地加以控制。特别是，当入射偏振与半波片的光轴成45度夹角时，线偏振光的振动方向可旋转90度。此外，由于某些物质具有自然旋光性或法拉第效应，光波的偏振面随着传播距离逐渐发生旋转。因为旋转角度与通光距离成正比，故光的偏振方向可自由地进行调控。然而，由于较弱的双折射特性或较小的旋光系数，上述效应的实施需要较强的外加磁场或较大的通光距离(通光距离远远大于电磁波长)。这对微纳光子学元器件的开发和集成而言是一个十分不利的因素。近来，微结构的表面等离激元材料(即金属材料)为开发亚波长的电磁波偏振器和转换器提供了新的途径。由于金属独特的介电响应，电磁场能够与金属表面自由电子振荡产生耦合，形成表面等离激元或局域等离激元共振。通过表面等离激元材料的微结构设计和研究，人们陆续发现了许多有趣的物理效应，如增强透射效应、光束准直效应、负折射效应等。在偏振特性上，一维金属狭缝光栅、二维椭圆形或矩形小孔阵列的透射具有强烈的偏振依赖性，可用以研制亚波长偏振器。基于增强透射效应，刻有亚波长小孔(如L或S形小孔阵列)的单层或双层金属膜也可用于偏振转换，如实现90度的偏振旋转。不过，这些偏振转换器通常具有较低的转换效率或较窄的工作带宽(或运用于特定的工作波长)。另一方面，基于亚波长金属开口环、金属棒等粒子，人们构造了复合的超构材料。这些材料可拥有各向异性(类似于波片)或光学活性(手性材料)等性能，从而为实现各偏振态的转换提供可能。然而，亚波长的超构材料通常具有制备复杂且损耗较大的缺点，这限制了其在短波长特别是可见和近红外波段的应用。
技术实现思路
为了解决目前90度的偏振转换器所具有的效率低下、带宽较窄或制备复杂的缺点，本专利技术提供了一种亚波长偏振转换器，该转换器不仅结构简单，而且转换效率高、工作带宽大。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:—种亚波长等尚激兀偏振转换器,包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。两个小孔形成的夹角为0?90度。所述偏振片的形状为矩形或者圆形等；入射偏振片和出射偏振片上的小孔为矩形、椭圆形或梯形等，偏振片和小孔的形状不限。入射偏振片和出射偏振片的间距为亚波长。入射偏振片和出射偏振片上的小孔为周期性排列或非周期性排列。本专利技术利用二个极化方向正交的表面等离激元偏振片之间的近场耦合效应实现线偏振90度的旋转。入射偏振片只允许一种偏振的电磁波耦合进入，而出射偏振片只允许与前者偏振方向正交的电磁波出射。这里，入射和出射金属偏振片均刻有矩形亚波长小孔；从通光方向看，二个偏振片的对应小孔之间成垂直L形交叉。这一配置可增强两个正交偏振态之间的耦合效应，进而提高透射/转换效率并扩大工作带宽。本专利技术的科学价值在于揭示了一种异常的透射效应:电磁波能够通过两个极化方向正交的表面等离激元偏振片。这一效应突破了传统的马吕斯定律的限制。本专利技术的应用价值在于该转换器能够实现90度的偏振转化，且转换效率高、工作带宽大；而且除了马吕斯定律所禁止的正交方向，还可以将入射线偏振切换到任意偏振方向，实现“万向”的偏转转换。在红外波段，透射或转换效率可达52%，工作带宽可达12%。在微波段,透射效率可达100%，工作带宽可达15%。该偏振转换器的厚度为亚波长，其结构简单，易于制备和集成，可应用于光频、太赫兹或微波段。此外，该转换器还可用作单向传输器、亚波长开关和调制器。【附图说明】图1 (a)是本专利技术的结构示意图，(b)是两个小孔形成的单个元胞的侧面视图，(c)是单个元胞的正面视图。图2是利用聚焦离子束(FIB)系统在Au/SiN/Au上加工正交的出射(图a)和入射(图b)偏振片的局部扫描电镜(SEM)图片。图3是实验测量(图a)和理论模拟(图b)的透射曲线。图4是模拟计算的入射偏振片(图a)和出射偏振片(图b)的电流分布。图5 (a)是不同孔阵周期的透射效率Txy曲线，(b)是不同SiN厚度时的透射效率Txy曲线。图6 (a)和(b)分别是微波段加工的单个偏振片和正交配置的偏振转换器的实物图片，(c)是理论计算和实验测得的单个偏振片的透射曲线，(d)是理论计算和实验测得的偏振转换器的透射曲线。图7 (a)是偏振转换器在不同间距下的理论和实验透射效率Txy曲线，(b)是偏振转换器在不同矩形小孔边长下的理论透射效率Txy曲线。图8 (a)是30度倾斜角的出射偏振片的实物图，(b)是实验(上)和理论(下)的不同L型“交叉”夹角的透射曲线。图9 (a)是“万向”偏振转换器的入射或出射偏振片的结构示意图，(b)是局部小孔的设计示意图，(C)是“万向”偏振转换器的入射或出射偏振片的实物加工图片，(d)是实验测量的“万向”偏振转换器在不同旋转角度下的透射曲线。【具体实施方式】图1给出了偏振转换器的结构示意图以及单个元胞的侧面、正面视图。该转换器由两个刻有亚波长矩形小孔的金属膜/片Μ构成，两者由电介质(或空气)层I间隔。金属膜上的矩形小孔阵列的周期皆为d，其余结构参数如图1所示。从通光方向看，两层矩形小孔之间成垂直L型“交叉”，即交叉夹角为90度。这里设定入射面小孔的长边沿着水平y方向，X偏振的电磁波垂直入射于金属表面。这一系统可保证只有电磁波的X偏振分量才能耦合进入，且只有1偏振分量才能出射。这样，如果出现透射的话，必然导致线偏振90度的旋转。下面结合附图以红外(图2-5)和微波段(图6-9)作为三个实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1作为第一个实施例，偏振转换器的工作频率位于光频段。该转换 器由金膜/氮化硅/金膜三明治结构构成，金膜上分别制备有预先设计的微结构。在实验过程中，首先利用磁控溅射在悬空的50纳米厚的氮化硅薄膜两侧分别镀上100纳米厚的金膜，然后利用聚焦离子束(FIB)系统在两侧的金膜上分别制备亚波长小孔阵列。制备的小孔阵列的周期为600纳米，矩形小孔的长为400纳米、宽150纳米，整个阵列的尺寸为50微米*50微米。为了使得两侧的矩形小孔能够对准成L型“交叉”，在加工过程中样品的四个角落用FIB分别制作了四个贯穿的标记，用以辅助定位和加工。图2 (a)和图2 (b)分别为出射和入射偏振片的局部SEM图片。从图2 (b)可以看出，两侧加工的矩形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚波长等离激元偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔，其特征在于，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，在通光方向上，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。

【技术特征摘要】
1.一种亚波长等尚激兀偏振转换器，包括入射偏振片和出射偏振片，入射偏振片和出射偏振片之间由介质或空气层间隔，其特征在于，入射偏振片和出射偏振片均采用等离激兀材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亚波长尺寸的小孔，在通光方向上，入射偏振片上的每个小孔与出射偏振片上对应的小孔之间形成一夹角，且形成夹角的两个小孔的端点交叉。2.根据权利要求1所述的一种亚波长等离激元偏振转换器，其特征在于，所述夹角为0?...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄成平，张勇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：