一种具有三层表面等离激元结构的偏振旋转器的制作方法

本实用新型涉及一种具有多层表面等离激元结构的偏振旋转器。

技术背景

偏振旋转器（polarization rotators）是集成光路和光学仪器中常用的光学器件，它的作用是使入射的线偏振光的偏振方向发生一定角度的旋转。传统的偏振旋转器叫波片（二分之一波片或四分之一波片）。制备传统波片的材料主要是双折射材料、液晶材料或具有二向色性的材料，这些材料具有体积大、带宽窄、效率低等缺陷。现代集成光路的发展和光学仪器的小型化使光学器件都在向微型化方向发展，且对光学器件的性能要求也越来越高。传统的偏振器件显然已经不能适应这种变化的需求。

近来，利用基于表面等离激元的人工微结构对电磁波进行调控是光学领域的研究热点。通过这些研究，人们开发出了自然界不存在的新的材料，揭示出新的物理效应，并构造新的物理器件。表面等离激元源于电磁波的光子与金属表面的自由电子耦合。由于电磁场与金属表面自由电子振荡的强烈耦合，光能够沿着金属表面传播（且局域于表面附近亚波长的尺度范围），这一电磁表面模被称为表面等离激元。利用表面等离激元效应，可构造各种各样的表面等离激元波导。它既有光子元件的长处（容量大），又有电子器件的优点（尺寸小），且光电信号都能以同一金属回路进行传输。因此，表面等离极化激元为未来的光电集成提供了一个新的途径。

通过对表面等离激元理论以及基于表面等离激元材料的深入研究，其在光学各领域的广泛应用也在逐渐展开，许多基于表面等离基元材料的有趣的物理效应也被陆续发现。比如：基于金属亚波长小孔阵列结构的增透效应，其在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。此外，在表面等离激元在光刻中的应用；远场光学透镜成像；负折射及成像器件等方面也具有广泛的应用。

基于表面等离基元材料的偏振旋转效应也是目前的一个研究热点。通常，利用具有亚波长孔阵列的单层或多层金属膜来实现光波的偏振旋转。不过，目前已有的偏振转换器通常转换效率较低或工作带宽较窄（或只适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，人们构造的复合的超构材料，拥有各向异性（类似于波片）或光学活性（手性材料）等性能，这同样为实现光波偏振态的转换提供可能方法。然而，亚波长的超构材料通常制备复杂且损耗较大，这限制了其在短波长特别是可见和近红外波段的应用。

技术实现要素：

为了解决传统偏振器件的体积庞大，不易集成，以及现有的基于等离激元或超材料的偏振旋转器的效率低下，工作带宽低，制备材料耗损大等缺点。本实用新型提出了一种基于多层表面等离基元结构的偏振旋转器，其透射光的效率高，且工作带宽宽。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种具有三层表面等离激元结构的偏振旋转器，包括叠放的三层金属薄膜，相邻金属薄膜之间设有介质层；每层金属薄膜上均设有矩形孔阵列，三层金属薄膜上的矩形孔具有不同的取向；相邻金属薄膜的矩形孔的长边夹角两两相等，且三层金属薄膜的矩形孔投射到同一平面上时，对应的矩形孔的一端重叠。

进一步地，所述介质层为玻璃或者空气。

进一步地，相邻金属薄膜的矩形孔的长边夹角为45度。

进一步地，所述介质层的厚度为亚波长，矩形孔的尺寸也为亚波长。

进一步地，所述矩形孔阵列为周期性阵列。

本实用新型的旋转器由玻璃/空气分隔的三层金属薄膜组成，每层金属薄膜都刻有不同取向的亚波长尺寸矩形孔阵列。利用相邻金属薄膜中的亚波长小孔间的相互近场耦合效应来实现线偏振光的90度旋转。上层矩形孔只允许偏振方向沿着矩形孔短边方向的光透过，下层矩形孔只允许偏振方向沿着小孔短边方向的光耦合射出。同时在透光方向上，两两相邻金属薄膜之间的夹角可以增强的两相互垂直的偏振态之间的耦合效应，这可以极大地增强器件的透射效率和极大地提高工作带宽。在近红外波段，本实用新型最大透射效率高于80%，半峰宽大于550nm（相对带宽高达26%）；而在微波波段，最大透射效率接近100%，半峰宽达到13mm（相对带宽高达23%）。因此，本实用新型的偏振旋转器可以实现高效、宽带的90度偏振旋转，且其透射电磁波具有效率高、宽工作带宽的特点，该旋转器可在单向传输器、亚波长开关或调制器等光学仪器中应用，可批量生产。

附图说明

图1是本实用新型偏振旋转器元胞的立体结构示意图，1-上层金属薄膜，2-中层金属薄膜，3-三层金属薄膜，4-介质层，5-矩形孔。

图2是偏振旋转器元胞金属膜中的矩形孔投射到同一平面的结构图，（a）上层金属薄膜，（b）中层金属薄膜，（c）下层金属薄膜，（d）三层金属薄膜。

图3是本实用新型结构参数对垂直偏振的透射效率的影响，（a）时域有限差分法对结构模拟计算的透射谱,（b）透射效率随参数h（金属薄膜间距）的变化示意图，（c）透射效率随参数p（晶胞周期）的变化示意图，（d）透射效率随参数t（金属薄膜厚度）的变化示意图。

图4是本实用新型实施例中在红外波段（2000nm - 3000nm）的透射效率的数值计算图，包括同向偏振的透射效率和垂直偏振的透射效率。

图5为本发明各层薄膜一半厚度处的（a）电场分布图和（b）电流分布图。

图6为本实用新型实施例2的实验装置图，6-喇叭天线，7-偏振旋转器，8-矢量网络分析仪。

图7为在微波段（a）理论计算和（b）实验验证的垂直偏振的透射效率。

具体实施方式

图1为本实用新型的偏振旋转器元胞立体结构示意图，包括三层叠放的金属薄膜，金属薄膜之间采用玻璃片（或者空气）间隔，其中介质层2的厚度为h，元胞周期为p。三层金属薄膜上均设有矩形孔5，相邻金属薄膜矩形孔5的长边夹角为45°。为了使x偏振的入射光旋转为y偏振的出射光，设定上层金属薄膜1的矩形孔5的长边方向沿y轴方向，下层金属薄膜3的矩形孔长边方向沿x方向。这样可保证上层金属孔只有x偏振入射光耦合进入，只有y偏振光从底层金属孔耦合射出，这说明发生了90度的偏振旋转。下面结合两个实施实例具体说明。

实施例1

本实施例中的偏振调控器件工作波段为近红外波段。偏振旋转器由三层被玻璃分隔开来的金属薄膜组成，每层金属薄膜具有不同取向的矩形孔阵列。相邻的金属薄膜中的矩形孔5的长边夹角为45°，如图2所示。在x和y方向的三层金属晶格的周期为p=1000nm，三层金属薄膜的矩形孔5有相同的长l和宽w，这里l和w分别为800nm和300nm。每层金属膜的厚度t为50nm，每层玻璃间隔片厚度h为100nm。在近红外波段的波长λ取值为2000-3000nm。

图3（a）给出了利用时域有限差分法（FDTD）对微结构模拟计算的透射谱。底部和上部的曲线分别代表了出射光为x偏振和y偏振的透射效率、。其中、，和是x偏振出射光和y偏振出射光的振幅。是x偏振入射光的振幅。在模拟中，偏振旋转器和矩形孔阵周围被假定为充满空气，金属的介电常数采用Drude模型，其中, 和。在数值模拟中，电场强度沿x轴方向的线性偏振平面波垂直（沿Z轴方向）照射在偏振旋转器上，在旋转器的后方放置两个探测器分别用来探测x方向和y方向偏振的透射振幅。由图中可以看出：对于x偏振的入射光，在从2000nm到3000nm的整个波长范围内，x偏振入射光几乎完全被阻塞，即趋近于0。

三层穿孔金属薄膜的Txy透过率与结构的几何参数有着密切联系。如图3所示，随着玻璃隔片厚度h的增加，透射效率轻微增加，然而高效率所相对应的带宽或工作带宽却显著地增加。因此，更大的h有利于宽带传输。与间隔片厚度h的影响相反，随着周期p的增加，透射效率或工作带宽减小。也就是说，较小的周期p更适合于宽带宽和高透射率。与偏振器的周期p相似，工作带宽随厚度t增加而减小，但透射率对厚度t并不敏感。因此，选取合适的参数可能会实现更高的透射效率和更宽的高透射系数对应的带宽。

图4显示了本实施例经过仔细选择参数的三层穿孔金属薄膜的透射谱。其中，p=1000nm，l=850nm，w=300nm，h=280nm和t=50nm。由图可以看出，在2000—3000nm的整个光谱范围内，Txx还很微弱。然而Txy在一个宽频段内得到了很大提升，其效率高达50%—83%。而工作波长扩大到从2240nm到2800nm，大约560nm的带宽（相对带宽达到26%）。特别地，从2280nm到2710nm，430nm的带宽范围内，其透射效率Txy甚至高于80%。

为了探明这种高效的偏振转换的潜在物理机制，本实施例使用FDTD模拟计算的在波长λ=2300nm时，每层金属薄膜一半厚度位置的三个矩形孔阵的电场分布和电流分布，结果如图5所示。模拟结果显示：三层金属薄膜的矩形孔中的电场都很强，这表明入射电磁波激发了三个矩形孔的波导模式。而金属结构的内表面等离激元模式和矩形孔的波导模式之间的耦合导致了出射光的高透射率。除了增强场以外，在入射孔的电场沿着x方向（Ey非常弱，没有展示）。在中间层的孔洞里，Ex和Ey的强度相等，然而在出射孔中的电场沿着y方向（相对应的Ex很弱），这意味着发生了90°的偏振转换。从电流分布结果来看，x偏振入射光在入射矩形孔的两短边周围激发出了两个半环形电流。相对应地，在长孔边的中心部分积累了两种相反符号的电荷。集聚在矩形孔两长边中心的正负电荷可以看作能直接产生远场辐射的电偶极子。在近场耦合的作用下，入射孔周围的电流和电荷，在中层金属薄膜孔洞周围激发了新的电流和电荷，进而在下层金属膜孔洞周围激发电流和电荷。在底层金属孔中的电偶极子发出y偏振远场辐射。因此，使得通过三层穿孔金属薄膜的电磁波实现90°的偏振旋转。

实施例2

本实施例的偏振旋转器件的工作波段为微波波段。图6显示了实验测量装置图。在实验中，电场方向沿着上层金属膜矩形孔短边的线偏振电磁波由矩形喇叭天线6产生，照射在偏振旋转器7的穿孔金属薄膜上，矢量网络分析仪8（AV3629A）用来探测出射电磁波和记录透射谱。本实施例的三层金属薄膜采用三个铝板，铝板上的矩形孔洞可使用激射水流切割方法来制作。三层薄铝板的厚度t设定为1mm、相邻铝板的间距h选为10mm、周期p是38mm、三层铝板上的矩形孔具有相同的长l=32mm和宽w=14mm。

图7显示了本实施例偏振旋转器的透射系数数值计算的结果。从图中可以看出，在微波波段Txy保持依然具有宽带宽和高效率的特点。从50mm到63mm，大约13mm宽的范围内，Txy效率高于50%，相对带宽大于23%。特别地，在波长为51mm处的效率接近100%，这意味着全透射和完全90°的偏振旋转。

本实用新型的各项参数，如元胞周期p、矩形孔洞的长l和宽w等，可根据需要进行适当的调整。除此之外，根据数值模拟显示，本实用新型在可见光、中红外、远红外、甚至在太赫兹等波段都可以实现宽带宽和高效的90°偏振旋转。这些改变都不改变本实用新型的实质。