金属超材料波片的制作方法

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种金属超材料波片。

背景技术：

偏振是电磁波的一项基本性质。偏振态所携带的信息在信号传输与传感测量方面都有着重要的价值。涉及偏振控制技术的应用已经渗透到了我们的日常生活和前言科学的方方面面。波片是最常见的偏振调控器件，其可以实现线偏光与圆偏光、椭偏光之间的相互转化以及线偏光偏振方向的旋转。传统的波片大多由具有双折射特性的光学晶体制备而来，其利用双折射晶体对不同偏振方向光分量折射率不同的特性在相互正交的透射光之间产生需要的相位差，从而实现对偏振态的调控。由于自然晶体的光学活性较弱，传统波片不便于光学集成。

新兴的超材料波片以其亚波长量级的有效器件厚度、可灵活设计的工作波段与工作带宽而引起了人们的广泛关注。其中，基于介质超材料的波片可实现超宽的工作带宽与接近于100％的工作效率。但是绝大多数介质超材料波片都是以硅为工作介质，因受限于硅的禁带宽度，该类波片在300太赫兹以上的波段无法保持高效率工作。部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够适应更宽波段，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。基于金属超材料的波片可以通过材料的结构设计来灵活地调节器件的工作波段，但是该类波片利用金属材料的表面等离激元共振，因而损耗会比较高。同时，利用厚度小于波长的单层金属纳米结构的波片无法有效地控制反射损耗，因而光波段的金属超材料波片的效率普遍较低。而利用多层金属超材料之间的耦合来同时产生电共振与磁共振以形成惠更斯超表面可以提高金属超材料波片的效率，但是目前金属超材料惠更斯超表面的效率仍然在50％以下，且其结构复杂、难于制备。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种金属超材料波片，具备了转换效率高、工作波段宽、易于集成化、易于制备的特点。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种金属超材料波片，包括：

介质衬底；

金属超材料层，设置于所述介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；

介质包覆层，设置于所述金属超材料层上，用于提供阻抗匹配；

其中，所述金属颗粒周期性阵列中的金属颗粒按矩形阵列排布；所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少包含一对平行的光滑平面侧壁，用于在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔。

在本发明的一些实施例中，所述金属颗粒的厚度不小于入射光在所述介质包覆层中工作波长的三分之一。

在本发明的一些实施例中，入射光被所述金属颗粒散射后耦合到法布里珀罗共振腔中形成横向法布里珀罗共振。

在本发明的一些实施例中，通过改变所述金属颗粒的尺寸来调节偏振方向分别平行和垂直于法布里珀罗谐振腔的透射光分量之间的相位延迟。

在本发明的一些实施例中，所述金属超材料波片为四分之一波片或半波片。

在本发明的一些实施例中，金属颗粒的形状为长方体，通过改变金属颗粒的长轴长度来调节偏振方向分别平行和垂直于法布里珀罗谐振腔的透射光分量之间的相位延迟。

在本发明的一些实施例中，通过调节所述相邻金属颗粒的光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该金属超材料波片工作波长的选取。

在本发明的一些实施例中，所述金属超材料波片工作波长范围为可见光到微波波段。

在本发明的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为该波片工作波段内无吸收的介质。

在本发明的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为二氧化硅或三氧化二铝。

所述金属颗粒的材料为金、银、铜或铝。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种金属超材料波片至少具有以下有益效果其中之一：

(1)相较于现有的金属超材料波片，本发明利用高透射率的法布里珀罗共振来调节透射光产生的相位延迟，降低了波片的反射与吸收损耗，从而提高了波片的转换效率；

(2)相较于传统的基于光学晶体的波片，本发明提供的金属超材料波片的金属超材料层的厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且该波片器件结构简单，易于制备；

(3)通过调节相邻金属颗粒光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该波片工作波长的选取，进而使本发明提供的金属超材料波片适用于更宽的波段范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例中一种金属超材料波片的剖面结构示意图，其中z坐标方向代表器件垂直方向，x、y坐标方向代表器件水平方向。

图2为本发明第一实施例中一种金属超材料波片中金属超材料层的俯视结构示意图。

图3为本发明第一实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线。

图4为本发明第一实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。

图5为本发明第二实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线。

图6为本发明第二实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。

【主要元件】

1介质衬底；2金属超材料层；3介质包覆层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种金属超材料波片。图1为本发明第一实施例中一种金属超材料波片的剖面示意图。请参照图1，金属超材料波片包括：

介质衬底1；

金属超材料层2，设置于所述介质衬底1上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；

介质包覆层3，设置于所述金属超材料层2上，用于提供阻抗匹配；

其中，所述金属超材料层2的厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且该波片器件结构简单，易于制备；

所述金属颗粒周期性阵列中的金属颗粒按矩形阵列排布；所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少包含一对平行的光滑平面侧壁且厚度不小于入射光在所述介质包覆层中工作波长的三分之一，用于在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔。

入射光被所述金属颗粒散射后耦合到法布里珀罗共振腔中形成横向法布里珀罗共振。

通过改变金属颗粒的尺寸来调节所述法布里珀罗谐振腔的宽度，从而调节谐振腔的限制因子，进而调控透射光产生的相位延迟。相较于现有的金属超材料波片，本发明利用高透射率的法布里珀罗共振来调节透射光产生的相位延迟，降低了波片的反射与吸收损耗，从而提高了波片的转换效率；

通过调节相邻金属颗粒的光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该波片工作波长的选取，从而将金属超材料波片的工作波长调谐到可见光到微波波段任意波长处，该波片的工作波长也是入射光在介质包覆层中的工作波长。所述金属颗粒的材料为金、银、铜或铝。

所述介质衬底与介质包覆层用于为金属超材料层提供支撑、保护以及外界环境与金属颗粒之间的阻抗匹配，其材料根据波片的工作波段选取，以保证在工作波段内介质材料无吸收，例如二氧化硅或三氧化二铝。

下面结合图2详细介绍金属超材料波片。图2为本发明第一实施例中一种金属超材料波片中金属超材料层的俯视结构示意图。请参照图2，金属颗粒的形状为长方体，金属颗粒长轴沿x坐标轴方向，长度为1；短轴沿y坐标轴方向，长度为w；金属颗粒在z轴方向的厚度为h；颗粒沿x轴方向周期为px；颗粒沿y轴方向周期为py。

金属颗粒长轴所在的两个相对的平面为一对平行的光滑平面侧壁，沿着y坐标轴方向(即颗粒短轴方向)相邻金属颗粒之间会形成法布里珀罗谐振腔。由于金属颗粒足够厚，即该金属颗粒的厚度不小于入射光在介质包覆层中工作波长的三分之一，偏振沿x轴方向的入射光分量可以通过散射耦合到法布里珀罗谐振腔中形成驻波，并高效率地透射，同时产生一个附加相位延迟。而偏振沿y轴方向的入射光分量与金属超材料层无强相互作用，也可以高效率地穿透金属超材料层，同时产生一个较小的固定附加相位延迟。通过调节金属颗粒长轴长度可以调节偏振沿着x轴方向的透射光分量相位延迟的大小，从而调节偏振沿x轴方向与y轴方向的两个透射光分量之间的相位延迟。通过对金属颗粒周期性阵列结构参数的设计可以在可见光到微波波段范围内得到90°与180°的相位差，从而实现四分之一波片和半波片的功能。

以下结合具体实施例对本发明提供的一种金属超材料波片作进一步的详细说明。

一、第一实施例

本实施例中的这种金属超材料波片为半波片，可以将入射光的偏振方向旋转90度，其工作波长为1.1um，透射效率在80％以上。该半波片的介质衬底与介质包覆层材料都为石英，金属颗粒的材料为银。金属颗粒的尺寸为：长轴长度l＝340nm，短轴长度w＝200nm，高度h＝360nm。金属颗粒周期沿x轴方向周期为px＝600nm，沿y轴方向周期为py＝620nm。

入射光偏振方向与长轴呈45度夹角并垂直入射到波片上，则偏振方向平行于长轴方向与短轴方向的入射光分量强度相同。图3为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光的变化曲线，其中tx表示偏振沿着x轴方向的入射光分量的透射率，ty表示偏振沿着y轴方向的入射光分量的透射率。请参照图3，在工作波长1.1um处两偏振分量的透射率相同。图4为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。请参照图4，在工作波长1.1um处偏振方向沿着x轴的透射分量与偏振沿着y轴方向的透射分量的相位差为π。因此，透射光偏振方向相对于入射光的偏振方向旋转了90度，该器件实现了半波片的功能，且其效率在80％以上。

二、第二实施例

本实施例中的金属超材料波片为四分之一波片，可以实现线偏光与圆偏光的相互转换。该波片工作波长为1.1um，透射效率在80％以上。该四分之一波片的介质衬底与介质包覆层材料都为石英，金属颗粒的材料为银。金属颗粒的尺寸为：长轴长度l＝270nm，短轴长度w＝200nm，高度h＝360nm。金属颗粒周期阵列的周期为：沿x轴方向周期为px＝600nm，沿y轴方向周期为py＝620nm。

入射光偏振方向与金属颗粒长轴呈45度夹角并垂直入射到波片上，则偏振方向平行于长轴方向与偏振方向平行于短轴方向的入射光分量强度相同。图5为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线，其中tx表示偏振沿着x轴方向的入射光分量的透射率，ty表示偏振沿着y轴方向的入射光分量的透射率。请参照图5，在工作波长1.1um处两偏振分量的透射率基本相同。图6为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线。请参照图6，在工作波长1.1um处，偏振方向沿着x轴的透射分量与偏振沿着y轴方向的透射分量的相位差为π/2。因而，偏振沿x轴方向的透射光分量与偏振沿y轴方向的透射光分量有相同的振幅，且相对相位延迟为π/2，线偏振的入射光通过该波片后转换为圆偏振光，即该器件实现了四分之一波片的功能，且其效率在80％以上。与第一实施例中的半波片相比，本实施例中四分之一波片的区别在于减小了金属颗粒的长轴长度。由于金属颗粒的长轴长度与法布里珀罗谐振腔的腔宽成正比，金属颗粒长轴长度的减小降低了谐振腔的限制因子，使得偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的相位延迟减小。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种金属超材料波片有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换，例如：

(1)具体实施例中金属颗粒的形状为长方体，所述金属颗粒也可以为其他形状，但需具有一对平行的光滑平面侧壁，不影响本发明的实现；

(2)所述金属颗粒阵列的结构参数可以随相应工作条件而改变，不影响本发明的实现；

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明一种金属超材料波片，通过金属颗粒周期性阵列中的横向法布里珀罗共振实现了对透射光相位延迟的调控，具备了转换效率高、工作波段宽的特点，从而可以广泛应用于传感、通信等诸多领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。