一种基于二维硒化亚锗的偏振相位调制器件及其设计方法
本发明属于新型偏振光学器件领域，更具体地，涉及一种基于二维硒化亚锗(gese)的偏振相位调制器件及其设计方法。
背景技术：
传统光学仪器(如椭偏仪等)受仪器体积的限制，无法满足对活体生命原位检测、大型精密仪器的原位深入探测等需要体积小巧且具有同样甚至更优的功能需求。虽然超表面和超材料制作的偏振相位调制器件也能实现较大的双折射效应，但其高昂的制备成本与光学损失使其在实际应用仍然任重道远(naturephotonics,2018,12(7):392.)。
由二维材料构筑的纳米光学仪器在具有体积小巧的优点的同时，可以通过对纳米材料厚度的精确调控实现对光的精准控制，因而仪器虽然尺寸大大减小，但是功能并未被简化甚至被加强。此外，利用二维材料易于附着在衬底上，同时二维材料之间容易形成范德华力的特点，二维材料便于集成到现有光学元件(如高透过率光学玻璃)或者制作集成串联光学元件。而仪器微型化的核心是对关键光学元件的微型化。
偏振相位调制器件包括八分之一波片、四分之一波片、半波片和全波片等，是大量光学仪器(如椭偏仪)核心光学元件之一。比如，八分之一波片能将偏振光的两个互相垂直的分量产生45°(π/4)的相位延迟量δ，使线偏振光和椭偏振光相互转化或者使椭偏振光和圆偏振光相互转化；四分之一波片产生90°(π/2)的相位延迟量δ，能将一束线偏光转换成圆偏振光或者将圆偏振光转换成线偏振光；半波片则使偏振光产生的相位延迟量δ为180°(π)，改变圆(椭)偏光的旋向(例如将右旋圆偏振光改变为左旋圆偏振光)或者改变线偏振光振动方向，从原来振动方向与快(慢)轴夹角θ，经过半波片后改变为2θ；全波片对应的相位延迟量为360°(2π)，这种偏振相位调制器件不改变光的偏振状态，通常用于增大光程。
相位延迟量δ计算公式为
(式中，λ、δn和d分别为入射光波长、材料折射率之差和偏振相位调制器件的厚度)。
由石英和氟化镁等双折射晶体制作而成的传统波片不仅体积巨大，而且双折射效应(δn)也较小(一般在0.1左右甚至更低)。根据(1)式可知，在入射光波长保持不变的情况下，对于同一类型的偏振相位调制器件，较低的双折射效应往往导致更厚的偏振相位调制器件厚度，不利于偏振相位调制器件的微型化。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维硒化亚锗(gese)的偏振相位调制器件及其设计方法，通过将具有超高面内双折射效应的二维gese制作成偏振相位调制器件，其目的在于实现厚度在纳米级别的偏振相位调制器件，为光学仪器的微型化打下基础。
为实现上述目的，本发明提供了二维gese在制备偏振相位调制器件中的应用。
优选地，应用时所述二维gese的厚度为1-1000纳米，将所述二维gese附着于衬底表面。
优选地，应用时所述二维gese的厚度为1-500纳米。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于二维gese的偏振相位调制器件，其包括衬底和位于该衬底表面的二维gese层，该偏振相位调制器件以二维gese为功能材料层。
优选地，所述二维gese层的厚度为1-1000纳米。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的偏振相位调制器件的设计方法，包括如下步骤：
(1)将若干个具有不同厚度的二维gese附着于衬底上，得到若干个含有二维gese功能层的复合材料；
(2)获取步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度d及在该厚度下对应的平面内光学常数，所述平面内光学常数包括不同波长条件下沿gese的手扶椅方向和之字形方向的消光系数kac和kzz以及折射率nac和nzz，获得δk和δn随着波长变化的关系曲线，其中δk＝kac-kzz，δn＝nzz-nac；
(3)对于步骤(1)中的任一个含有二维gese功能层的的复合材料，在满足δk＝0的波长范围或者单个波长点λ处，获得由该复合材料中二维gese功能层厚度d、该厚度d下满足δk＝0的波长范围或者单个波长点λ、以及该波长范围或单个波长点λ对应的δn构成的一组数据集合；对于步骤(1)所述若干个含有二维gese功能层的复合材料，获得若干组数据集合；
(4)将步骤(3)所述数据集合中的数据代入相位延迟量计算公式
优选地，步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度最小介于1-10nm之间，最大不超过1000nm。
优选地，步骤(4)从该相位延迟量集合中如果不能找到与目标偏振相位调制器件的相位延迟量相匹配的数据，则通过扩大步骤(1)所述二维gese功能层的厚度范围，或者减小其厚度梯度，然后重复步骤(1)至步骤(4)，直至制作得到目标偏振相位调制器件。
优选地，所述的设计方法，还包括步骤：
(5)利用搭建的透射式光路或反射式光路测量步骤(4)制作得到的偏振相位调制器件在不同起偏器角度和检偏器旋转角度下的光强；将该实验测试值与根据步骤(2)中获得的平面内光学常数进行拟合得到的不同起偏器角度和检偏器旋转角度下的光强进行比较，若实验测量值与拟合值偏差不超过5％，则表明所述制作得到的偏振相位调制器件即为所述目标偏振相位调制器件；反之，扩大步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度范围，或者减小其厚度梯度，然后重复步骤(1)至步骤(4)，直至制作得到目标偏振相位调制器件。
优选地，采用由光源、起偏器、步骤(4)制作得到的偏振相位调制器件、旋转检偏器以及光强探测器构成的透射式光路进行所述二维gese的偏振相位调制器件性能检测，其中该偏振相位调制器件中衬底为透明衬底，具体测试方法如下：
保持入射光垂直入射，即沿z轴负方向入射，入射光波长即为步骤(4)所述满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ；
固定起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角α，光经过检偏器后，入射到在所述由二维gese层及透明衬底组成的偏振相位调制器件，固定二维gese层的晶轴位置，使其平面内手扶椅和之字形方向分别与y轴和x轴平行，再经过透光轴方向和y轴夹角成β的旋转检偏器(analyzer，记作a)，最终到达光强探测器，得到光强测试值。
优选地，光源沿z轴入射起偏器后，只有沿透光轴方向的电场方向的分量能够透过；设经过起偏器后的电场振幅为e0，从而沿x轴和y轴的电场振幅表示为：
e0,y＝e0cosα；e0,x＝e0sinα
其中，e0,x和e0,y分别为经过起偏器后沿x轴和y轴的电场振幅；α为起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角；
其中当入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿二维gese平面内手扶椅ac和之字形zz两个方向上晶轴的透射系数tac、tzz分别为：
其中，et,y和et,x分别为沿y轴和x轴经过二维gese及透明衬底后的电场振幅；
由于检偏器与y轴夹角为β，沿x和y轴方向的电场投影到旋转检偏器a方向的电场ea可表示为：
ea＝et,ycosβ+et,xsinβ＝tace0,ycosβ+tzze0,xsinβ＝tace0cosαcosβ+tzze0sinαsinβ
因而经过检偏器后的透射系数ta为：
最终得到拟合的透射光强
ia＝|ta|2。
优选地，步骤(2)还测量了步骤(1)所述偏振相位调制器件中衬底的厚度d和衬底的光学常数，入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿gese平面内手扶椅和之字形两个方向上晶轴的透射系数按照如下方法获得：
当入射光垂直入射二维gese及透明衬底后，以二维gese层的ac和zz方向的光学常数及厚度，以及衬底的光学常数及厚度作为输入，利用传输矩阵方法分别得到入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿gese平面内手扶椅和之字形两个方向上晶轴的透射系数。
优选地，步骤(3)中通过以二维gese层的ac和zz方向的光学常数及厚度、以及衬底光学常数及厚度作为输入，利用传输矩阵的方法，分别得到沿这两个晶轴方向的反射系数，并搭建反射式光路，实现偏振相位调制器件的检验；
其中，采用由光源、起偏器、步骤(4)得到的偏振相位调制器件、旋转检偏器以及光强探测器构成的反射式光路进行所述二维gese的偏振相位调制器件性能检测，具体测试方法如下：
保持入射光垂直入射，即沿z轴负方向入射，入射光波长即为步骤(4)所述满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ；
固定起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角α，光经过检偏器后，入射到在所述由二维gese层及衬底组成的偏振相位调制器件，固定二维gese层的晶轴位置，使其平面内手扶椅和之字形方向分别与y轴和x轴平行，经过偏振相位调制器件反射后，再经过透光轴方向和y轴夹角成β的旋转检偏器，最终到达光强探测器，得到光强测试值；
光源沿z轴入射起偏器后，只有沿透光轴方向的电场方向的分量能够透过；设经过起偏器后的电场振幅e0，从而沿x轴和y轴的电场振幅可以表示为：
e0,y＝e0cosα；e0,x＝e0sinα
其中，e0,x和e0,y分别为经过起偏器后沿x轴和y轴的电场振幅；α为起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角；
其中当入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿二维gese平面内手扶椅(ac)和之字形(zz)两个方向上晶轴的反射系数分别为：
其中，er,y和er,x分别为沿y轴和x轴经过二维gese及衬底反射的电场振幅；
由于检偏器与y轴夹角为β，沿x和y轴方向的电场投影到旋转检偏器a方向的电场可表示为：
ea＝er,ycosβ+er,xsinβ＝race0,ycosβ+rzze0,xsinβ＝race0cosαcosβ+rzze0sinαsinβ
因而经过检偏器后的反射系数为：
最终得到拟合的反射光强
ia’＝|ra|2。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出将二维gese应用于制备偏振相位调制器件，二维gese具有平面内较高的双折射效应δn，并且该二维材料易与衬底附着，利用二维gese的这些特性，设计实现基于二维gese新型偏振相位调制器件，gese制作而成的偏振相位调制器件由于具有纳米级厚度更有利于光学元件的纳米化，为光学仪器的微纳化和集成化打下基础。
(2)本发明首先通过采用先进的测量与表征手段对基于不同厚度二维gese层的偏振相位调制器件进行平面内光学常数准确高效测量，并实现在连续光谱范围内的平面内光学常数测量；然后根据测得的光学常数数据和二维gese的厚度数据，根据相位延迟量δ计算公式计算得到相应的相位延迟量，并根据目偏振相位调制器件对相位延迟量的要求确定合适的二维gese层厚度，以实现目标种类偏振相位调制器件的制作。该方法简单高效，无需复杂计算与模拟。
(3)本发明采用简单光路实现对光强的直接测量，再通过矢量法推导出光强表达式，然后将实验测量值与矢量法推导值进行比较，即可识别与检验制作得到的偏振相位调制器件是否为目标偏振相位调制器件类型。推导过程简单清晰，实现了对偏振相位调制器件高效快速识别与检测。
附图说明
图1是gese的晶体结构图；
图2是二维gese光学显微镜及原子力显微镜测量的厚度；
图3是椭偏测量的gese平面内双折射δn与二向色δk；
图4是二维gese偏振吸收；左图是二维gese在600-850纳米波长范围内，吸收率随入射偏振光电场角度的变化情况，右图是在750纳米处，二维gese吸收率随偏振光电场变化情况；
图5是检验基于二维gese偏振相位调制器件实际光路图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于厚度往往只有纳米级别甚至更薄，二维材料的双折射现象主要是由于平面内沿两个晶轴方向的折射率不同导致的。研究发现，具有低对称性的晶体结构的二维材料往往具有较高的平面内双折射效应。gese是典型的双轴晶材料(空间群为
本发明提供了一种二维gese在制备偏振相位调制器件中的应用。应用时所述二维gese的厚度为1-1000纳米，优选为1-500纳米。将所述二维gese附着于衬底表面。一些实施例中，用于制备八分之一波片、四分之一波片、半波片或全波片。
本发明还提供了一种基于二维gese的偏振相位调制器件，其包括衬底和位于该衬底表面的二维gese层，该偏振相位调制器件以二维gese为功能材料层，且优选所述二维gese层的厚度为1-1000纳米。
本发明还提供了一种所述的偏振相位调制器件的设计方法，包括如下步骤：
(1)将若干个具有不同厚度的二维gese附着于衬底上，得到若干个含有二维gese功能层的复合材料；
(2)获取步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度d及在该厚度下对应的平面内光学常数，所述平面内光学常数包括不同波长条件下沿gese的手扶椅方向(armchair，记作ac，gese晶体结构中c轴方向)和之字形方向(zigzag，记作zz，gese晶体结构中b轴方向)的消光系数kac和kzz以及折射率nac和nzz，获得δk和δn随着波长变化的关系曲线，其中δk＝kac-kzz，δn＝nzz-nac；
(3)偏振相位调制器件的二维gese功能材料层，需要满足gese的δk＝0的条件，因此，对于步骤(1)中的若干个含有二维gese功能层的的复合材料，在满足δk＝0的波长范围或者单个波长点λ处，获得由复合材料中二维gese功能层厚度d、该厚度d下满足δk＝0的波长范围或者单个波长点λ、以及该波长范围或单个波长点λ对应的δn构成的数据集合；；对于步骤(1)所述若干个含有二维gese功能层的复合材料，获得若干组数据集合；
(4)将步骤(3)所述数据集合中的数据代入相位延迟量计算公式
一些实施例中，步骤(1)通过采用原子力显微镜、台阶仪或者椭偏仪测量所述器件中二维gese层的厚度。
一些实施例中，步骤(1)通过光谱穆勒椭偏仪测量得到所述二维gese层的平面内各向异性光学常数；或者通过测量所述器件的反射率和透射率，并通过传输矩阵的方法逆向提取该光学常数。
当通过测量所述器件的反射率和透射率，并通过传输矩阵的方法逆向提取该光学常数时，需要先确定该器件中二维gese层的晶轴取向。
一些实施例中，步骤(1)通过透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、偏振拉曼或者偏振吸收确定所述二维gese层的晶轴取向。
一些实施例中，步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度最小介于1-10nm之间，最大不超过1000nm。
一些实施例中，步骤(4)从该相位延迟量集合中如果不能找到与目标偏振相位调制器件的相位延迟量相匹配的数据，则通过扩大步骤(1)所述二维gese功能层的厚度范围，或者减小其厚度梯度，然后重复步骤(1)至步骤(4)，直至制作得到目标偏振相位调制器件。
一些实施例中，所述的设计方法，还包括步骤：
(5)利用搭建的透射式光路或反射式光路测量步骤(4)制作得到的偏振相位调制器件在不同起偏器角度和检偏器旋转角度下的光强；将该实验测试值与根据步骤(2)中获得的平面内光学常数进行拟合得到的不同起偏器角度和检偏器旋转角度下的光强进行比较，若实验测量值与拟合值偏差不超过5％，则表明所述制作得到的偏振相位调制器件即为所述目标偏振相位调制器件；反之，扩大步骤(1)所述复合材料中二维gese功能层的厚度范围，或者减小其厚度梯度，然后重复步骤(1)至步骤(4)，直至制作得到目标偏振相位调制器件。
一些实施例中，采用由光源、起偏器、步骤(4)制作得到的偏振相位调制器件、旋转检偏器以及光强探测器构成的透射式光路进行所述二维gese的偏振相位调制器件性能检测，其中该偏振相位调制器件中衬底为透明衬底，具体测试方法如下：
保持入射光垂直入射，即沿z轴负方向入射，入射光波长即为步骤(4)所述满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ；
固定起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角α，光经过检偏器后，入射到在所述由二维gese层及透明衬底组成的偏振相位调制器件，固定二维gese层的晶轴位置，使其平面内手扶椅和之字形方向分别与y轴和x轴平行，再经过透光轴方向和y轴夹角成β的旋转检偏器(analyzer，记作a)，最终到达光强探测器，得到光强测试值。
一些实施例中，光源沿z轴入射起偏器后，只有沿透光轴方向的电场方向的分量能够透过；设经过起偏器后的电场振幅为e0，从而沿x轴和y轴的电场振幅可以表示为：
e0,y＝e0cosα；e0,x＝e0sinα
其中，e0,x和e0,y分别为经过起偏器后沿x轴和y轴的电场振幅；α为起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角；
其中当入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿二维gese平面内手扶椅(ac)和之字形(zz)两个方向上晶轴的透射系数tac、tzz分别为：
其中，et,y和et,x分别为沿y轴和x轴经过二维gese及透明衬底后的电场振幅；
由于检偏器与y轴夹角为β，沿x和y轴方向的电场投影到旋转检偏器a方向的电场可表示为：
ea＝et,ycosβ+et,xsinβ＝tace0,ycosβ+tzze0,xsinβ＝tace0cosαcosβ+tzze0sinαsinβ
因而经过检偏器后的透射系数为：
最终得到拟合的透射光强
ia＝|ta|2。
一些实施例中，步骤(2)还测量了步骤(1)所述偏振相位调制器件中衬底的厚度d和衬底的光学常数，入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿gese平面内手扶椅和之字形两个方向上晶轴的透射系数按照如下方法获得：
当入射光垂直入射二维gese及透明衬底后，以二维gese层的ac和zz方向的光学常数及厚度，以及衬底的光学常数及厚度作为输入，利用传输矩阵方法分别得到入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿gese平面内手扶椅和之字形两个方向上晶轴的透射系数。
一些实施例中，所述透明衬底为在满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ下透明，即不产生吸收(衬底的消光系数为0)，且在x-y平面内不发生双折射的晶体或非晶体材料。
一些实施例中，步骤(3)中通过以二维gese层的ac和zz方向的光学常数及厚度、以及衬底光学常数及厚度作为输入，利用传输矩阵的方法，分别得到沿这两个晶轴方向的反射系数，并搭建反射式光路，实现偏振相位调制器件的检验；
其中，采用由光源、起偏器、步骤(4)制作得到的偏振相位调制器件、旋转检偏器以及光强探测器构成的反射式光路进行所述二维gese的偏振相位调制器件性能检测，具体测试方法如下：
保持入射光垂直入射，即沿z轴负方向入射，入射光波长即为步骤(4)所述满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ；
固定起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角α，光经过检偏器后，入射到在所述由二维gese层及衬底组成的偏振相位调制器件，固定二维gese层的晶轴位置，使其平面内手扶椅和之字形方向分别与y轴和x轴平行，经过偏振相位调制器件反射后，再经过透光轴方向和y轴夹角成β的旋转检偏器，最终到达光强探测器，得到光强测试值。
光源沿z轴入射起偏器后，只有沿透光轴方向的电场方向的分量能够透过；设经过起偏器后的电场振幅e0，从而沿x轴和y轴的电场振幅可以表示为：
e0,y＝e0cosα；e0,x＝e0sinα
其中，e0,x和e0,y分别为经过起偏器后沿x轴和y轴的电场振幅；α为起偏器透光轴方向与竖直方向y轴的夹角；
其中当入射光经过二维gese层及透明衬底后，沿二维gese平面内手扶椅(ac)和之字形(zz)两个方向上晶轴的反射系数分别为：
其中，er,y和er,x分别为沿y轴和x轴经过二维gese及衬底反射的电场振幅；
由于检偏器与y轴夹角为β，沿x和y轴方向的电场投影到旋转检偏器a方向的电场可表示为：
ea＝er,ycosβ+er,xsinβ＝race0,ycosβ+rzze0,xsinβ＝race0cosαcosβ+rzze0sinαsinβ
因而经过检偏器后的反射系数为：
最终得到拟合的反射光强
ia’＝|ra|2。
在反射式光路中，衬底可选用在满足目标偏振相位调制器件相位延迟量要求的厚度d对应的满足δk＝0的波长范围内的波长或者单个波长点λ下透明或不透明且在x-y平面内不发生双折射晶体与非晶体材料。
本发明首先制作具有一定的厚度梯度的二维gese并获取这些二维gese的平面内光学常数，结合相位延迟量计算公式，计算得到不同厚度梯度对应的相位延迟量，根据目标偏振相位调制器件对相位延迟量要求，确定该目标偏振相位调制器件中二维gese的厚度，并将二维gese附着于衬底上制作得到目标偏振相位调制器件，最后通过实验测量和计算拟合的比较来检验制作得到的偏振相位调制器件是否符合要求。
如图1所示，gese是典型的层状材料，沿着a轴方向(平面外方向)每层原子存在范德华力，而垂直于a轴方向的平面(平面内方向)中的原子是以共价键的形式结合，在该平面内，沿着手扶椅(armchair，记作ac，gese晶体结构中c轴方向)和之字形(zigzag，记作zz，gese晶体结构中b轴方向)方向原子排布存在较大差异，这也是gese具有平面内光学各向异性的原因。
图2为原子力显微镜测得的二维gese的厚度为102纳米；椭偏仪测得其平面内各向异性光学常数之差(双折射δn和二向色δk)见图3；图4左图是测量的102纳米厚的gese样品偏振吸收率，右图是在750纳米处，吸收率随电场偏振角度变化情况，可以看到在偏振方向为30度时，此时吸收率达到最大，此时偏振方向与ac晶轴方向平行，从而确定晶轴方向。
为制作本实施例的基于二维gese的四分之一波片，需要采取以下步骤：
s1：制作厚度在100-500nm，厚度梯度为50nm的gese纳米片的集合，将其均附着于透明衬底上，并通过原子力显微镜精确测量，利用光谱穆勒椭偏仪测量这些gese纳米片的光学常数，包括不同波长条件下沿平面内ac和zz方向的消光系数kac和kzz以及折射率nac和nzz，并获得δk和δn随着波长变化的关系曲线，此外还需要通过透射电子显微镜，确定样品的ac和zz轴取向；获得δk和δn随着波长变化的关系曲线。
s2：对于制作四分之一波片，需要满足gese的δk＝0并在满足δk＝0的波长范围或者波长点的处需要找到合适的δn，使相位延迟量满足π/2的要求；根据相位延迟量计算公式
s3：按照图5所示的透射式光路，光源沿z轴负方向穿过透光轴方向与y轴夹角为45度的起偏器后，穿过基于二维gese的四分之一波片(保持zz方向与x轴平行)，然后再入射到旋转检偏器上(设检偏器透光轴方向和y轴夹角成β)，最终进入光强探测器。
s4：通过传输矩阵和矢量法计算出的光强和实际测量的得到的光强进行比较，若误差小于5％，则基于二维gese的四分之一波片符合要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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