一种基于双层金属孔对的正交偏振旋转器件的制作方法

本实用新型涉及一种由双层金属片穿矩形孔对组成的偏振旋转器。

背景技术：

偏振是电磁波的一个重要特征，在显示器、传感、高级通信、工业测试和生命显微镜等领域有着丰富的应用。人们通常采用偏振转换器或旋转器来操纵电磁波的偏振态。偏振转换器和旋转器的功能包括旋转入射电磁波的偏振面方向和线偏振与椭圆/圆偏振之间的相互旋转。

传统的偏振转换器和旋转器，如半波片和四分之一波片，主要利用双折射晶体或液晶体来制作，这些材料是高电磁损耗的，因此传统的偏振转换器和旋转器一般都是窄带的。此外,传统的转换器和旋转器是由体材料制成的,其体积庞大、效率相对较低，难以适用于当前向微型化和集成化发展的光学器件。近年来，表面等离激元的兴起和发展吸引了许多学者的研究兴趣。表面等离激元是电磁场与金属表面自由电子振荡的强烈耦合，因此使得光能够沿着金属表面传播。通过对表面等离激元及基于等离激元的人工微结构的研究，人们开发出了许多普通体材料不具有的新物理性能的新型材料，这使得基于超材料、超表面、多层金属天线阵列的偏振转换器和转化器的实现成为可能，基于等离激元的偏振转换器和旋转器具有更紧凑的平面结构和很高的偏振转换及旋转性能，符合精密光学仪器的发展需要，有很强的实用价值。

在偏振转换器和旋转器中,正交偏振旋转器可以将入射的线偏振电磁波的偏振方向旋转至其正交方向。大多数正交偏振旋转器是由三层或更多层的金属片组成的多层结构，金属片具有微结构并由电介质隔开。相邻金属片的微结构之间的近场耦合以及多重反射波之间的法布里-珀罗干涉效应产生了高效率、宽频带的偏振旋转。而单层正交偏振旋转器由于缺乏近场耦合和法布里珀罗干涉效应，因而效率相对较低、频带窄，不适合实际应用。

近年来,人们研究了几种基于双层超材料或穿孔金属片的正交偏振旋转器。双层偏振旋转器是由两层具有微结构的金属片组成。双层偏振旋转器在实验上比多层偏振旋转器更容易制作，同时也具有优良的偏振性能，特别是在红外波段和微波段，可以实现高效的偏振旋转。但是，目前已有的双层偏振旋转器的旋转效率和带宽还不令人满意。同样，现有的穿孔金属膜阵列的偏振旋转器也存在着带宽窄或转换效率不高的问题。

技术实现要素：

为了解决现有的基于超材料的偏振旋转器的效率低下、频带低等缺点。本实用新型提出了了一个由双层金属片穿矩形孔对组成的偏振旋转器，该旋转器可以在红外或微波波段高效、宽带地将入射线偏振光的偏振方向旋转至其正交方向。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于双层金属孔对的正交偏振旋转器件，包括两层金属片，两层金属片由介质间隔层隔开；每层金属片上设有相同取向、平行错位排列的矩形孔对阵列；一层金属片中的矩形孔对与另一个金属片中对应的矩形孔对互相垂直，矩形对中互相垂直的矩形孔投影到一个平面上时，矩形孔的垂直末端重叠。

进一步地，所述介质间隔层为空气或玻璃。

进一步地，所述矩形孔阵列为周期性阵列。

本实用新型的正交偏振旋转器由两层金属片组成，两层金属膜由介质间隔层隔开，每层金属膜有矩形孔对阵列。由于相邻金属片中矩形孔之间的近场耦合效应的诱导，可以使得双层金属孔对实现正交偏振旋转。数值计算表明,在红外波段，正交偏振透射光的最大效率高于74％，半峰宽接近291nm,相对带宽大于27％。在微波波段,最大正交偏振透射率超过95％,半峰宽大于1.4ghz(相对带宽～21％)。因此，本实用新型的偏振旋转器在红外或微波波段可使入射光的偏振方向旋转90°，且90°旋转后的偏振光都具有较高的传输效率和较宽的带宽。

附图说明

图1是本发明双层正交偏振旋转器立体结构图；

图2是投射在同一平面上的两层金属膜中的矩形孔对的示意图。

图3是本实用新型实施例中在红外波段(700nm-1500nm)的透射效率的数值模拟图；(a)为同向偏振的透射效率txx和交叉偏振的透射效率txy，(b)为正交偏振旋转率(pcr)与波长的关系。

图4为波长为1100nm时，(a)上层金属板一半厚度处的电场分布，(b)下层金属板一半厚度处的电场分布，(c)上层金属板一半厚度处的电流分布，(d)下层金属板一半厚度处的电流分布。

图5是微波段实验器件结构图；(a)为矩形穿孔铝板的照片；(b)为正交偏振旋转器的俯视图。

图6是微波段实验和数值模拟的透射效率结果图；(a)为实验(带点的曲线)和计算(不带点的曲线)透射效率曲线，(b)正交偏振旋转器pcr同频率关系的计算图。

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，包括两层金属片，两层金属膜由介质间隔层隔开，其中间隔层厚度为h，金属片厚度为t，元胞周期为p。每层金属膜有矩形孔对阵列，两个金属片的孔对相互垂直，矩形孔洞长和宽分别为l和w。如果投影到一个平面上，两个金属片对应的孔在每个矩形孔的末端重叠，如图2所示，实线框为上层金属片的矩形孔，虚线框代表下层金属片的矩形孔。上层金属片中的矩形孔长边沿y轴方向，下层金属片的矩形孔沿x轴方向，这使得仅有入射光偏振沿x轴方向的电磁波耦合入射到金属板上，偏振方向沿y轴方向的透射光耦合出射，实现正交的偏振旋转。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红外波段。正交偏振旋转器由两层金属片组成，两层金属膜由介质间隔层隔开，每层金属膜有矩形孔对阵列。在x和y方向上，旋转器的平面内晶格周期为p＝600nm。两个金属层中的四个矩形孔具有相同的长度l＝400nm和宽度w＝160nm。两个金属层的厚度为t＝50nm。

图3中的(a)给出了利用时域有限差分法(fdtd)模拟计算的偏振旋转的透射谱。这里txx＝|ex|²/|ex0|²和txy＝|ex|²/|ex0|²表示沿x和y方向的透射率。ex和ey分别是x和y偏振透射波的振幅，还有是入射电磁波的振幅。在模拟计算中，假定偏振旋转器和矩形孔被空气(n＝1)包围或充满。金属的相对电容率利用drude模型/ω(ω+iγ)来模拟，其中ε∞＝8，等离子体频率ωp＝1.37×10¹⁶rad/s，电子碰撞频率γ＝5×10¹³hz。电磁波垂直入射到偏振旋转器上(从顶侧，沿-y轴方向)，入射光的电场方向沿x轴偏振。在偏振旋转器的另一侧设置了具有x和y方向的偏振的探针以检测透射电场。从图3中的(a)可以看出，在整个频带中，同偏振透射光的传输是低效的，效率txx大部分低于10％。而最大正交偏振透过率txy则高于74％。波长在952到1224nm之间(超过272nm带宽)，透射率txy大于50％。半峰宽为291nm，相对带宽大于27％。显然，使用目前的偏振旋转器件，实现了高效率、宽带宽的正交偏振旋转。

为了研究导致正交偏振旋转的高效率和宽带宽的因素，对电场和电流分布进行了数值模拟。图4中的(a)和(b)显示了数值模拟的电场分布(在x-y平面上)，电磁的位置为上、下金属膜厚度的一半处(在波长λ＝1100nm处)。结果表明，在两个金属层的矩形孔中，电场明显增强，呈现出一种驻波模式。上层金属片孔内的电场沿x方向分布(ey很弱，这里没有显示)。而下金属膜孔内的电场沿y方向分布(ex很弱)。这意味着发生了偏振旋转。出射孔中的波导模式不能被入射的x偏振光直接激发，因为矩形孔只允许沿着孔洞短边方向的偏振光的透射。相邻金属片中矩形孔对之间的近场耦合对矩形孔波导模式激发和偏振旋转起着重要作用。为了阐明这个观点，数值模拟了波长为λ＝1100nm的电流分布，结果如图4中的(c)和(d)所示。可以发现，在入射x偏振光作用下，在入射矩形孔的周边产生了反向的环流。带有相反符号的电荷将聚集在两个孔的长边缘的中心部位，形成电偶极子。通过近场耦合[由于间隔片的深亚波长厚度]，在入射孔周围的电流和电荷将在出射孔洞周围引起新的电流和电荷。在下层金属片的矩形孔中形成的电偶极子发射远场y偏振辐射。因此，通过近场耦合诱导，可以使用双层金属孔对实现正交偏振旋转。

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5显示了两个穿孔铝板和双层偏振旋转器的结构图。在实验中，使用激射水流切割方法在两个铝板内切割矩形孔。这里，双层铝板的厚度t＝1mm。两个金属板上的矩形孔具有相同的长度l＝24mm，相同的宽度w＝10mm。每个单位晶胞的周期为p＝40mm。穿孔铝板之间的距离为h＝10mm。在实验测量中，微波是由一对矩形喇叭天线产生和检测的。具有x偏振的入射电磁波垂直入射到偏振旋转器表面上。利用矢量网络分析仪(av3629a)记录x和y偏振电磁波的透射率。

图6中的(a)显示了测量的正交偏振旋转器的透射光谱。图6中的(b)显示了模拟的pcr结果。从图中可以看出，在5-9ghz的微波段txx仍然可以忽略不计(低于10％)，而txy仍然是宽带宽和高透率的。在6.3～7.5thz，约1.3ghz宽，txy的效率在50％以上。特别是在7.1ghz频率时，透射效率可高达95％以上。在微波波段，半峰宽大于1.4ghz，相对带宽为21％。在6.2～9ghz的频率范围内，pcr大部分情况下大于80％。显然，在微波段，这种双层偏振旋转器的性能也是优于单层和其他双层结构。