一種亞波長等離激元偏振轉換器制造技術

本實用新型專利技術提供開了一種亞波長等離激元偏振轉換器，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間由介質或空氣層間隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；兩個偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。當兩個小孔的夾角為90度時，入射偏振片只允許一種偏振的電磁波耦合進入，而出射偏振片只允許與前者偏振方向正交的電磁波出射。利用正交的矩形小孔之間的近場耦合效應，該系統能夠突破馬呂斯定律的限制，使得電磁波產生有效的透射且偏振方向旋轉90度。該轉換器可用作單向傳輸器、亞波長開關和調制器。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本技術提供開了一種亞波長等離激元偏振轉換器，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間由介質或空氣層間隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；兩個偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。當兩個小孔的夾角為90度時，入射偏振片只允許一種偏振的電磁波耦合進入，而出射偏振片只允許與前者偏振方向正交的電磁波出射。利用正交的矩形小孔之間的近場耦合效應，該系統能夠突破馬呂斯定律的限制，使得電磁波產生有效的透射且偏振方向旋轉90度。該轉換器可用作單向傳輸器、亞波長開關和調制器。【專利說明】一種亞波長等離激元偏振轉換器
本技術涉及一種亞波長等離激元偏振轉換器，該轉換器由一對刻有亞波長小孔的金屬偏振片構成，它可以將電磁波的線偏振方向旋轉90度。該轉換器還可用作單向傳輸器、亞波長開關或調制器。
技術介紹
傳統的偏振器及偏振轉換器主要是基于自然材料的二向色性、雙折射效應或光學活性等特性，由此可產生線偏振光或改變光波的偏振態。眾所周知，利用二個線偏振片可產生線偏振光并可將光的偏振方向加以旋轉。不過，根據馬呂斯定律，光的透射效率將隨著偏振片旋轉角度0的增大而減小。當θ=90°時,光的透射效率變為O。這意味著,光無法通過兩個極化方向正交的偏振片，利用正交的偏振片也無法獲得偏振方向90度的旋轉。與此不同，利用波片的雙折射和相位延遲效應，入射光波的偏振方向或偏振態可有效地加以控制。特別是，當入射偏振與半波片的光軸成45度夾角時，線偏振光的振動方向可旋轉90度。此外，由于某些物質具有自然旋光性或法拉第效應，光波的偏振面隨著傳播距離逐漸發生旋轉。因為旋轉角度與通光距離成正比，故光的偏振方向可自由地進行調控。然而，由于較弱的雙折射特性或較小的旋光系數，上述效應的實施需要較強的外加磁場或較大的通光距離(通光距離遠遠大于電磁波長)。這對微納光子學元器件的開發和集成而言是一個十分不利的因素。近來，微結構的表面等離激元材料（即金屬材料）為開發亞波長的電磁波偏振器和轉換器提供了新的途徑。由于金屬獨特的介電響應，電磁場能夠與金屬表面自由電子振蕩產生耦合，形成表面等離激元或局域等離激元共振。通過表面等離激元材料的微結構設計和研究，人們陸續發現了許多有趣的物理效應，如增強透射效應、光束準直效應、負折射效應等。在偏振特性上，一維金屬狹縫光柵、二維橢圓形或矩形小孔陣列的透射具有強烈的偏振依賴性，可用以研制亞波長偏振器。基于增強透射效應，刻有亞波長小孔(如L或S形小孔陣列）的單層或雙層金屬膜也可用于偏振轉換，如實現90度的偏振旋轉。不過，這些偏振轉換器通常具有較低的轉換效率或較窄的工作帶寬(或運用于特定的工作波長)。另一方面，基于亞波長金屬開口環、金屬棒等粒子，人們構造了復合的超構材料。這些材料可擁有各向異性(類似于波片）或光學活性(手性材料）等性能，從而為實現各偏振態的轉換提供可能。然而，亞波長的超構材料通常具有制備復雜且損耗較大的缺點，這限制了其在短波長特別是可見和近紅外波段的應用。
技術實現思路
為了解決目前90度的偏振轉換器所具有的效率低下、帶寬較窄或制備復雜的缺點，本技術提供了一種亞波長偏振轉換器，該轉換器不僅結構簡單，而且轉換效率高、工作帶寬大。本技術解決其技術問題所采用的技術方案是：—種亞波長等尚激兀偏振轉換器,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間由介質或空氣層間隔。其中，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。兩個小孔形成的夾角為O?90度。所述偏振片的形狀為矩形或者圓形等；入射偏振片和出射偏振片上的小孔為矩形、橢圓形或梯形等，偏振片和小孔的形狀不限。入射偏振片和出射偏振片的間距為亞波長。入射偏振片和出射偏振片上的小孔為周期性排列或非周期性排列。本技術利用二個極化方向正交的表面等離激元偏振片之間的近場耦合效應實現線偏振90度的旋轉。入射偏振片只允許一種偏振的電磁波耦合進入，而出射偏振片只允許與前者偏振方向正交的電磁波出射。這里，入射和出射金屬偏振片均刻有矩形亞波長小孔；從通光方向看，二個偏振片的對應小孔之間成垂直L形交叉。這一配置可增強兩個正交偏振態之間的耦合效應，進而提高透射/轉換效率并擴大工作帶寬。本技術的科學價值在于揭示了一種異常的透射效應：電磁波能夠通過兩個極化方向正交的表面等離激元偏振片。這一效應突破了傳統的馬呂斯定律的限制。本技術的應用價值在于該轉換器能夠實現90度的偏振轉化，且轉換效率高、工作帶寬大；而且除了馬呂斯定律所禁止的正交方向，還可以將入射線偏振切換到任意偏振方向，實現“萬向”的偏轉轉換。在紅外波段，透射或轉換效率可達52%，工作帶寬可達12%。在微波段，透射效率可達100%，工作帶寬可達15%。該偏振轉換器的厚度為亞波長，其結構簡單，易于制備和集成，可應用于光頻、太赫茲或微波段。此外，該轉換器還可用作單向傳輸器、亞波長開關和調制器。【專利附圖】【附圖說明】圖I (a)是本技術的結構示意圖，(b)是兩個小孔形成的單個元胞的側面視圖，（C)是單個元胞的正面視圖。圖2是利用聚焦離子束（FIB)系統在Au/SiN/Au上加工正交的出射（圖a)和入射(圖b)偏振片的局部掃描電鏡（SEM)圖片。圖3是實驗測量（圖a)和理論模擬（圖b)的透射曲線。圖4是模擬計算的入射偏振片（圖a)和出射偏振片（圖b)的電流分布。圖5 Ca)是不同孔陣周期的透射效率Txy曲線，(b)是不同SiN厚度時的透射效率Txy曲線。圖6 (a)和（b)分別是微波段加工的單個偏振片和正交配置的偏振轉換器的實物圖片，(c)是理論計算和實驗測得的單個偏振片的透射曲線，（d)是理論計算和實驗測得的偏振轉換器的透射曲線。圖7 Ca)是偏振轉換器在不同間距下的理論和實驗透射效率Txy曲線，(b)是偏振轉換器在不同矩形小孔邊長下的理論透射效率Txy曲線。圖8 (a)是30度傾斜角的出射偏振片的實物圖，（b)是實驗(上）和理論(下）的不同L型“交叉”夾角的透射曲線。圖9 (a)是“萬向”偏振轉換器的入射或出射偏振片的結構示意圖，(b)是局部小孔的設計示意圖，（C)是“萬向”偏振轉換器的入射或出射偏振片的實物加工圖片，（d)是實驗測量的“萬向”偏振轉換器在不同旋轉角度下的透射曲線。【具體實施方式】圖I給出了偏振轉換器的結構示意圖以及單個元胞的側面、正面視圖。該轉換器由兩個刻有亞波長矩形小孔的金屬膜/片M構成，兩者由電介質（或空氣）層I間隔。金屬膜上的矩形小孔陣列的周期皆為d，其余結構參數如圖I所示。從通光方向看，兩層矩形小孔之間成垂直L型“交叉”，即交叉夾角為90度。這里設定入射面小孔的長邊沿著水平y方向，X偏振的電磁波垂直入射于金屬表面。這一系統可保證只有電磁波的X偏振分量才能耦合進入，且只有I偏振分量才能出射。這樣，如果出現透射的話，必然導致線偏振90度的旋轉。下面結合附圖以紅外（圖2-5)和微波段（圖6-9)作為三個實施例對本技術作進一步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種亞波長等離激元偏振轉換器，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間由介質或空氣層間隔，其特征在于，入射偏振片和出射偏振片均采用等離激元材料；所述入射偏振片和出射偏振片上刻有亞波長尺寸的小孔，在通光方向上，入射偏振片上的每個小孔與出射偏振片上對應的小孔之間形成一夾角，且形成夾角的兩個小孔的端點交叉。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃成平，張勇，
申請(專利權)人：南京工業大學，
類型：實用新型
國別省市：