双频带圆偏振选择器及其制备方法与流程

本发明涉及光学器件领域，具体涉及一种双频带圆偏振选择器及其制备方法。

背景技术：

圆偏振光作为光波的一种偏振形态，在成像显示、光纤电流传感、生化探测等诸多方面有着独特的应用优势。例如：圆偏振光在反射式彩色显示、生物科学领域的微结构成像方面都有着线偏振光所不具有的准确性和稳定性。

目前，在光学领域获得圆偏振光通常做法是采用线偏振片和四分之一波片两个分离元器件构成圆偏振器，由于采用了两个分离的光学元件，不利于光学器件的集成。另外，现有的圆偏振器是单频带选择器，且带宽极窄、不易集成。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种双频带圆偏振选择器，包括：

介质衬底；

设置在所述介质衬底上的介质板，所述介质板与所述介质衬底各自所在的平面之间具有夹角；

设置在所述介质板的表面上的金属开口谐振环；以及

设置在所述介质衬底上的金属天线。

优选的，所述金属开口谐振环具有两个臂，所述两个臂限定了靠近所述介质衬底的开口。

优选的，所述金属天线的一端与所述金属开口谐振环的两个臂之一的端部相连接。

优选的，所述介质衬底具有相对设置的第一表面和第二表面，所述介质板设置在所述介质衬底的第一表面上，所述金属天线设置在所述介质衬底的第二表面上。

优选的，所述介质板通过折叠所述介质衬底的一部分而形成，以使得所述介质衬底具有与所述介质板的形状相同的通光口。

优选的，所述金属天线呈直线状。

优选的，所述夹角为20°～160°，更优选的，所述夹角为70°～110°。

优选的，所述金属开口谐振环和金属天线的厚度相同，且为30纳米～500纳米。

优选的，所述介质衬底和介质板的厚度相同，且为40纳米～3微米。

优选的，所述金属开口谐振环和金属天线的材质为金、银、铂、铝或铜。

本发明的双频带圆偏振选择器是一种双频带、微型化的圆偏振器，其具有纳米尺寸，集成度高。

本发明的实施例还提供了用于上述双频带圆偏振选择器的制备方法，包括下列步骤：

步骤1)，利用自对准工艺在介质衬底的上表面和下表面形成形状相同且相互对准的上光刻胶图形和下光刻胶图形；

步骤2)，在所述上光刻胶图形中沉积牺牲层，在所述下光刻胶图形中沉积金属，去除所述上光刻胶图形和下光刻胶图形；

步骤3)，利用聚焦能束辐照所述介质衬底及其上的牺牲层诱导折叠所述介质衬底的一部分以形成介质板、设置在所述介质板的表面上的金属开口谐振环和设置在所述介质衬底上的金属天线；

步骤4)，去除所述牺牲层。

本发明的制备工艺简单，且不会破坏金属开口谐振环和金属天线的结构。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明第一个实施例的双频带圆偏振选择器的立体示意图。

图2是图1所示的双频带圆偏振选择器沿箭头a1所指的方向看的平面示意图。

图3是图1所示的双频带圆偏振选择器沿箭头a2所指的方向看的平面示意图。

图4是图1所示的双频带圆偏振选择器的电磁波的透过光谱图。

图5-8是图1所示的双频带圆偏振选择器的制备工艺的示意图。

图9是根据本发明第二个实施例的双频带圆偏振选择器的立体示意图。

图10是图9所示的双频带圆偏振选择器的电磁波的透过光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明第一个实施例的双频带圆偏振选择器的立体示意图，图2和图3分别是沿着箭头a1、a2所指的方向看的平面示意图。如图1-3所示，双频带圆偏振选择器1大体呈t形，其包括呈板状的介质衬底14和介质板13，介质衬底14具有相对设置的第一表面141和第二表面142以及与介质板13的形状相同的通光口143，介质板13设置在介质衬底14的第一表面141上且垂直于介质衬底14。介质衬底14和介质板13优选由相同的介质材料制成，由此介质板13可通过折叠介质衬底14的一部分而形成，从而使得介质板13与介质衬底14之间具有夹角α。

双频带圆偏振选择器1还包括设置在介质板13上的金属开口谐振环11和设置在介质衬底14的第二表面142上的金属天线12。金属开口谐振环11具有臂111、112，臂111、112限定了靠近介质衬底14的开口。金属天线12的一端与金属开口谐振环11的臂112的端部相连接。

本发明的双频带圆偏振选择器1的工作原理如下：当圆偏振光沿着与第三方向d3相反的方向入射到通光口143时，在圆偏振光的激发下，金属开口谐振环11实现磁偶极共振(即磁响应)，金属天线12则激发电偶极共振(即电响应)，因此金属开口谐振环11和金属天线12通过磁偶极子和电偶极子相互耦合，使得一个旋向的圆偏振光透过该器件，另一个旋向的圆偏振光被器件吸收或反射，实现左旋和右旋圆偏振光的分辨和选择，从而在特定频率段呈现出圆偏振选择器的特性与功能。

由于激发的电偶极子和磁偶极子的相对方向存在平行和反平行两种情况，而这两种情况分别对应着不同的耦合模式机制，所以在光谱上会呈现出两个截然相反的左旋或右旋选择透过频段。在本发明的其他实施例中，金属天线12的一端连接至金属开口谐振环11的臂111的端部。通过选择使得金属天线12与金属开口谐振环11的臂111或者臂112的端部相连接，从而实现左旋圆偏振光透过、右旋圆偏振光被吸收或反射，或者实现右旋圆偏振光透过、左旋圆偏振光被吸收或反射。

在本发明的其他实施例中，金属天线12与金属开口谐振环11相分离，对比这种实施例，金属天线12的一端连接至金属开口谐振环11的臂112或臂111的端部，能够避免产生其他的共振模式和耦合模式，由此提高了双频带圆偏振选择器对左旋右旋圆偏振光的选择比。

本发明的金属天线12呈直线状，与曲线状的金属天线相比，除了制备工艺简单外，直线状的金属天线12只产生电偶极子响应，排除其他共振模式的干扰。

在本发明的一个优选的实施例中，双频带圆偏振选择器的尺寸参数如下：介质衬底14在第一方向d1(垂直介质板13所在的平面)、第二方向d2(同时平行介质板13和介质衬底14所在的平面)和第三方向d3(垂直介质衬底14所在的平面)上的尺寸分别为4微米、2.2微米和100纳米。介质板13在第一方向d1、第二方向d2和第三方向d3上的尺寸分别为100纳米、1.6微米和1.6微米。金属开口谐振环11在第一方向d1、第二方向d2和第三方向d3上的尺寸分别为200纳米、1350纳米和900纳米，且金属开口谐振环11的线宽(即臂111、112在第二方向d2上的尺寸为200纳米)。金属天线12在第一方向d1、第二方向d2和第三方向d3上的尺寸分别为1600纳米、200纳米和200纳米。图4是图1所示的双频带圆偏振选择器的电磁波的透过光谱图。从图4可以明显看出双频带圆偏振选择器1在频率为30thz和53thz下均实现了左旋和右旋圆偏振光的分辨和选择。在工作频率为30thz的情况下，右旋光透过，左旋光则被吸收和反射，左旋右旋光的选择比高达1:11。在工作频率为53thz的情况下，左旋光透过，右旋光则被吸收和反射，左旋右旋光的选择比为8:1。

以下将简述双频带圆偏振选择器1的制备方法。

提供一个介质衬底14，在介质衬底14的上表面和下表面分别旋涂上光刻胶15’和下光刻胶16’，图5示出了其沿着第二方向d2的平面示意图。

同时对上光刻胶15’和下光刻胶16’进行曝光，从而在介质衬底14的上表面和下表面形成了形状相同且相互对准的上光刻胶图形和下光刻胶图形，图6示出了其沿着与第三方向d3相反的方向看的平面示意图。

在介质衬底14的上光刻胶图形中沉积牺牲层17’，在下光刻胶图形中沉积金，以形成呈η形或钩形的牺牲层17’和金层；去除介质衬底14上下表面的光刻胶，以获得自对准的双层图形，图7示出了其沿着与第三方向d3相反的方向看的平面示意图。

采用聚焦能束(离子束、电子束或激光束)轰击介质衬底14及其上的牺牲层17’的一部分，具体而言，轰击图7中所示的虚线框的部分，从而实现应变诱导折叠，将虚线框的部分折叠90°从而形成介质板13和具有通光口143的介质衬底14，其中金层中随着介质板13折叠的部分形成金属开口谐振环11、未折叠的部分形成金属天线12。图8示出了其沿着第二方向d2看的平面示意图。

最后去除牺牲层17’以形成图1所示的双频带圆偏振选择器1。

本发明的双频带圆偏振选择器是一种具有纳米尺寸、微型化的圆偏振器。可以通过现有的器件集成工艺来制备，且集成度高。在上述制备工艺中，采用聚焦能束轰击介质衬底14及其上的牺牲层17’诱导折叠介质衬底，仅采用一个工艺步骤就能形成介质板13以及形成相连接的金属开口谐振环11和金属天线12，加工工艺简单，且聚焦能束并不会破坏介质衬底14下表面的金层结构，也即不会对金属开口谐振环11和金属天线12的结构造成影响。

图9是根据本发明第二个实施例的双频带圆偏振选择器的立体示意图。图9所示的双频带圆偏振选择器2与图1所示的双频带圆偏振选择器1基本相同，区别在于，金属天线22在第一方向d1的尺寸为800纳米。

图10是图9所示的双频带圆偏振选择器的电磁波的透过光谱图。从图10可以看出，双频带圆偏振选择器2在频率为33thz和59thz下均实现了左旋和右旋圆偏振光的分辨和选择，其工作频率段发生了改变。

金属开口谐振环的形状并不限于为具有开口的方形，在本发明的其他实施例中，金属开口谐振环的形状为具有开口的圆形、椭圆形或多边形。

在本发明的其他实施例中，介质板与介质衬底各自所在的平面之间的夹角α为20°～160°，为了提高双频带圆偏振选择器对左旋和右旋圆偏振光的选择比，介质板与介质衬底各自所在的平面之间的夹角α优选为70°～110°，更优选为80°～100°。

在本发明的其他实施例中，为了使得双频带圆偏振选择器对左旋和右旋圆偏振光具有较大的选择比，金属天线和金属开口谐振环的厚度优选为30纳米～500纳米。

在本发明的其他实施例中，金属开口谐振环和金属天线的材质为金、银、铂、铝、铜等贵金属以提高左旋和右旋圆偏振光的选择比。

在本发明的其他实施例中，介质衬底和介质板的材料为氮化硅、单晶硅、多晶硅等自支撑介质材料。

本发明可以通过改变金属开口谐振环在第二方向d2和第三方向d3上的尺寸，以及改变金属天线在第一方向d1和第二方向d2上的尺寸来调节其工作频率段和选择比。通过实验得知，金属开口谐振环在第二方向d2和第三方向d3上的尺寸越大，工作频率段越低；金属天线在第一方向d1和第二方向d2上的尺寸越大，工作频率段越低。本发明的金属天线和金属开口谐振环可以根据实际需要来设计和制造。

本发明的双频带圆偏振选择器的介质衬底在第一方向d1和第二方向d2上的尺寸仅影响其工作频率段而不会影响其分辨、选择左旋和右旋圆偏振光的功能，在其他的实施例中，可以根据所需的工作频率段来设计和制造对应尺寸的双频带圆偏振选择器。通过改变其在第一方向d1和第二方向d2上的尺寸参数来改变其工作频率段，使其工作频率从可见光到太赫兹波段，从而克服现有圆偏振片工作频率范围窄的缺点。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。