近红外非对称超表面偏振调控器及其制作方法

1.本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种近红外非对称超表面偏振调控器及其制作方法。


背景技术：

2.偏振是电磁波的一种重要属性，其在成像，军事，导航，卫星通讯等方面具有广阔的研究价值。然而传统的偏振调控主要利用半波片和二色性晶体实现。其原理是通过电磁波在内部传播时，偏振方向互相垂直的光随着传播距离的增加其相位差的累积，从而导致偏振转换。但是，传统的方法所带来的效果不理想，如转换效率不高，带宽窄等缺点。自然光是非偏振光，在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时，不可避免的会损失近一半的非偏振入射光的能量，这时候就要寻找新的材料、结构来减少能量损失。
3.传统的实现偏振转换的方法包括光弹性调制器和光栅。虽然这些方法可以随意控制偏振态，但它们通常需要体积较大的设备和长传输距离来实现相位的累积，阻碍了偏振调控器件的在未来微型化器件等诸多方面的应用，不能满足通信、传感、光谱、成像技术等方面在太赫兹及近红外波段未来日益迫切的需求。
4.为了解决以上问题，一种基于人工亚波长阵列结构的材料——超表面被广泛研究。超表面即二维的超材料，对电磁波有独特的响应。它的电磁特性可以通过结构单元的特定设计来实现人工调控，获得比自然材料更加优异的偏振光非对称转换性能来减少传统光学器件的能量损失，同时具备体积小，易集成的优点，有望替代传统的偏振器件。
5.现有超表面的由亚波长单元通常由光栅条和双杆谐振器构成，且双杆谐振器采用完全相同的结构，其偏振转换性差，能量损失大。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种近红外非对称超表面偏振调控器及其制作方法，其具有较强的偏振转换性，有效降低了能量损失。
7.本发明一种近红外非对称超表面偏振调控器，其技术方案为：包括双杆谐振器、绝缘介质层单体和光栅条单体，所述双杆谐振器包括用于将偏振方向沿x轴方向的偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的偏振光或将偏振方向沿y轴方向的偏振光转化为偏振方向沿x轴方向的偏振光的第一谐振器杆和第二谐振器杆，所述双杆谐振器固设于所述绝缘介质层单体顶部，所述光栅条单体固设于所述绝缘介质层单体底部，所述双杆谐振器与光栅条单体之间形成微腔，所述光栅条单体的狭缝沿y轴方向周期性分布，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆平行设置，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆与x轴、y轴之间形成45
°
夹角，所述第一谐振器杆沿厚度方向的剖面为第一直角梯形结构，所述第二谐振器杆沿厚度方向的剖面为第二直角梯形结构，所述第一直角梯形结构沿水平面旋转180
°
后可与所述第二直角梯形结构重合；
8.其中，x轴为光栅条单体宽度方向，y轴为光栅条单体长度方向，第一谐振器杆、第
二谐振器杆、绝缘介质层单体厚度为z轴方向。
9.本方案底部的光栅条可以使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生透射型非对称偏振转换现象，并与图形化的双杆谐振器构成微腔，保证工作带宽的同时提高透射率。第一直角梯形结构沿水平面旋转180
°
后可与所述第二直角梯形结构重合，双杆谐振器的该非对称结构设计对于正入射的x线偏振光而言，存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，而对于正入射的y线偏振光而言，只存在极弱的偏振转换功能，大部分入射光将维持原偏振方向通过超材料结构，也就是说，该宽带高透过超材料结构对于正入射的y偏振光而言是一个“开”的状态，该宽带高透过超材料结构对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件在可见光波段所产生的能量损失。
10.较为优选的，所述绝缘介质层单体为正方体结构，所述光栅条单体位于所述正方体结构的底部一侧，所述光栅条单体的边沿与所述绝缘介质层单体的边沿对齐。该排布方式，能使非对称偏振转换的性能最好。
11.较为优选的，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆的厚度不同。不同的厚度能使非对称偏振转换的共振峰性能较好(峰值较高，带宽也较好)，同时也在近红外范围中。
12.较为优选的，所述第一谐振器杆沿x轴方向的最远端、沿y轴方向的最远端分别位于绝缘介质层单体相邻两边的中点位置处，所述第二谐振器杆沿x轴方向的最远端、沿y轴方向的最远端分别位于绝缘介质层单体另外两边的中点位置处。
13.较为优选的，所述第一谐振器杆距离光栅条单体的距离小于第二谐振器杆距离光栅条单体的距离，所述第一谐振器杆的厚度小于第二谐振器杆。该排布方式，能使器件对于不同偏振入射光的各向异性更好。
14.较为优选的，所述第二谐振器杆的厚度为第一谐振器杆厚度的2倍。
15.较为优选的，所述双杆谐振器、绝缘介质层单体和光栅条单体构成的超表面呈周期型分布；
16.其中，所述绝缘介质层单体沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由绝缘介质层单体构成的绝缘介质层结构；
17.所述双杆谐振器沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由第一谐振器杆与第二谐振器杆交替衔接而成的杆带结构；
18.所述光栅条单体沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成沿x轴方向周期性分布的光栅条，所述光栅条由光栅条单体在y轴方向周期性分布首尾衔接而成。
19.较为优选的，所述光栅条单体的宽度为190～210mm，所述绝缘介质层单体的厚度为20～30nm，所述第一谐振器杆与第二谐振器杆的距离为290～340nm。
20.较为优选的，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆由金构成，所述绝缘介质层单体由二氧化硅构成，所述光栅条单体由金构成。
21.本发明一种近红外非对称超表面偏振调控器，其技术方案为，包括：
22.在si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出第一层金属膜；
23.通过电子束蚀刻形成光栅条单体；
24.在si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出绝缘介质层单体；
25.在绝缘介质层单体上采用电子束蒸发沉积法沉积出第二层金属膜；
26.在第二层金属膜上通过电子束蚀刻形成双杆谐振器的第一谐振器杆与第二谐振器杆；
27.其中，光栅条单体的狭缝沿y轴方向周期性分布，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆平行设置，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆与x轴、y轴之间形成45
°
夹角，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆的厚度不同；
28.其中，x轴为光栅条单体宽度方向，y轴为光栅条单体长度方向，第一谐振器杆、第二谐振器杆、绝缘介质层单体厚度为z轴方向。
29.本发明的有益效果为：本方案的第一谐振器杆和第二谐振器杆采用非对称结构设计，对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件在可见光波段所产生的能量损失。
附图说明
30.图1为本发明立体结构示意图；
31.图2为本发明第一谐振器杆与第二谐振器杆沿厚度方向的断面示意图；
32.图3为本发明俯视结构示意图；
33.图4为偏振方向沿x方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图；
34.图5为偏振方向沿y方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图。
35.图中：1
‑
双杆谐振器，2
‑
绝缘介质层单体，3
‑
光栅条单体，4
‑
杆带结构，5
‑
绝缘介质层结构，6
‑
光栅条
具体实施方式
36.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
38.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.实施例一
41.图1示出了本技术较佳实施例(图1示出了本技术第一实施例)提供的一种近红外
非对称超表面偏振调控器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
42.一种近红外非对称超表面偏振调控器包括双杆谐振器1、绝缘介质层单体2和光栅条单体3，双杆谐振器1包括用于将偏振方向沿x轴方向的偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的偏振光或将偏振方向沿y轴方向的偏振光转化为偏振方向沿x轴方向的偏振光的第一谐振器杆101和第二谐振器杆102，双杆谐振器1固设于绝缘介质层单体2顶部，光栅条单体3固设于绝缘介质层单体2底部，双杆谐振器1与光栅条单体3之间形成微腔，光栅条单体3的狭缝沿y轴方向周期性分布，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102平行设置，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102与x轴、y轴之间形成45
°
夹角。
43.如图2所示，第一谐振器杆101沿厚度方向的剖面为第一直角梯形结构，第二谐振器杆102沿厚度方向的剖面为第二直角梯形结构，第一直角梯形结构沿水平面旋转180
°
后可与第二直角梯形结构重合；
44.其中，x轴为光栅条单体3宽度方向，y轴为光栅条单体3长度方向，第一谐振器杆101、第二谐振器杆102、绝缘介质层单体2厚度为z轴方向。
45.绝缘介质层单体2为正方体结构，光栅条单体3位于正方体结构的底部一侧，光栅条单体3的边沿与绝缘介质层单体2的边沿对齐。
46.第一谐振器杆101和第二谐振器杆102的厚度不同。
47.第一谐振器杆101沿x轴方向的最远端、沿y轴方向的最远端分别位于绝缘介质层单体2相邻两边的中点位置处，第二谐振器杆102沿x轴方向的最远端、沿y轴方向的最远端分别位于绝缘介质层单体2另外两边的中点位置处。
48.第一谐振器杆101距离光栅条单体3的距离小于第二谐振器杆102距离光栅条单体3的距离，第一谐振器杆101的厚度小于第二谐振器杆102。
49.第二谐振器杆102的厚度为第一谐振器杆101厚度的2倍。
50.如图3所示，双杆谐振器1、绝缘介质层单体2和光栅条单体3构成的超表面呈周期型分布；
51.其中，绝缘介质层单体2沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由绝缘介质层单体2构成的绝缘介质层结构5；
52.双杆谐振器1沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由第一谐振器杆101与第二谐振器杆102交替衔接而成的杆带结构4；
53.光栅条单体3沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成沿x轴方向周期性分布的光栅条6，光栅条6由光栅条单体3在y轴方向周期性分布首尾衔接而成。
54.光栅条单体3的宽度为190～210mm，绝缘介质层单体2的厚度为20～30nm，第一谐振器杆101与第二谐振器杆102的距离为290～340nm。
55.第一谐振器杆101和第二谐振器杆102由金构成。
56.本方案的双杆谐振器1为高度不对称的双杆谐振器形，能在近红外波段处发生偶极谐振，将偏振方向沿x轴方向的偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的偏振光。光栅条单体3用于使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生透射型非对称偏振转换现象，并与图形化的双杆谐振器构成微腔，用于保证工作带宽的同时提高透射率。
57.当光波正入射到该结构表面时，首先由双杆谐振器结构产生偏振旋转，然后在双杆谐振器与金属栅构成的微腔产生共振和正交偏振转换之后，从光栅条透射出去。在保证带宽同时又因为结构的整体各向异性而产生对偏振方向分别沿着x和y方向的两个正交线性偏振光的非对称偏振转换，提高线偏振光的透射率。
58.相比与传统的光学偏振器件，本方案的宽带高透过超材料结构对于正入射的x线偏振光而言，该结构存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，而对于正入射的y线偏振光而言，只存在极弱的偏振转换功能，大部分入射光将维持原偏振方向通过超材料结构，也就是说，该宽带高透过超材料结构对于正入射的y偏振光而言是一个“开”的状态，该宽带高透过超材料结构对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件在可见光波段所产生的能量损失；
59.本方案可以在近红外波段(866nm
‑
1020nm)对正入射的光波实现非对称偏振转换传输减少因为自然光的非偏振性而在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时损失掉的大部分能量，同时因为采用超材料这种亚波长结构，相对于传统的光学器件来说，可以明显降低器件厚度，同时具有体积小，易集成的优点，在近红外波段的偏振调控领域具有应用潜力。
60.在非对称偏振转换研究中，与传统晶体材料偏振片类似，超材料偏振转换器件在将非偏振光转换为线偏振光的过程中效率仍然很低，损失了近一半的非偏振入射光的能量(大多数偏振转换器件，只能将入射的y/x线偏振光转换为x/y线偏振光，而入射的x/y线偏振光透过率很低因此透射的x/y线偏振光的能量不超过入射光的50％)。而本方案的结构将分布在两个正交线性偏振态的电磁波能量集中到一个偏振态上来，将为诸多低损耗光电应用提供可行的技术实现途径。
61.当x线偏振光正入射到双杆谐振器1时，只有一部分光可以转换成其交叉偏振y偏振光，然后通过光栅条单体3，而剩余的x偏振光在所研究的整个波长范围内被光栅条单体3层反射，并返回与双杆谐振器1进行相互作用，其交叉偏振透射率有了显著的提升。然后，双杆谐振器1反射的光将由光栅条单体3再次选择。光在上下两个金属层之间不断地反射，产生法布里
‑
珀罗共振，最终产生增强的y
‑
偏振光；
62.双杆谐振器1结构形状为厚度不对称的双杆谐振器形，双杆谐振器1能在近红外波段处(866～1020nm)发生偶极谐振，将沿x轴方向上的偏振光转化为沿y轴方向上的偏振光；双杆谐振器1对入射的线偏振光具有偏振转换作用(将x线偏振光转换为y线偏振光，同时将y线偏振光转换为x线偏振光)；光栅条单体3具有偏振选择性，允许y线偏振光透过，并将x线偏振光反射；
63.光栅条单体3结构形状为长方体，其为亚波长金属光栅结构(亚波长金属光栅的延伸(光栅槽型)方向是沿着y轴，同时x轴方向是亚波长金属光栅的周期变化方向)，光栅条单体3用于使偏振调控器呈现整体各向异性，破坏光在传播方向上的对称性，从而产生透射型非对称偏振转换现象(即对x偏振光有较高的偏振转化率，而对于y偏振光在保持透射率的同时又对偏振转换具有较高的阻隔性)，并与图形化的双杆谐振器1构成微腔，用于保证透射率的同时扩大工作带宽。
64.上述技术方案中，所述光栅条单体3的亚波长金属光栅栅条沿y轴方向延伸，x轴方
向为光栅条单体3中光栅的周期变化方向，双杆谐振器1的亚波长金属光栅栅条沿x，y轴均为周期性排列。同时在x轴方向、y轴方向和z轴方向几何尺度不同，整体呈现各向异性(上述x轴为图形化的光栅条单体3的亚波长金属光栅栅条的宽度方向，y轴为光栅条单体3的亚波长金属光栅栅条的长度方向，z轴为绝缘介质层的厚度方向)。对于x轴方向的偏振光，其透射光偏振态可被转化为偏振方向沿y轴方向的线偏振光，并具有较高的转化率，而对于y轴方向的偏振光在保持透射率的同时又对偏振转换具有较高的阻隔性。
65.上述技术方案中，所述绝缘介质层单体2结构形状为正方体，绝缘介质层的顶面和底面分别与双杆谐振器1和光栅条单体3形成超表面结构(双金属杆与亚波长金属光栅形成的超表面结构)，在光波照射下，电磁场与金属内电子等离子体振荡的耦合作用激发表面等离极化激元(对于金属超表面，都是通过激发表面等离激元，对入射光产生相位突变，从而对光的偏振，相位，波前进行调控)，只有激发了金属表面的等离激元，才能对入射光的偏振进行调控。
66.上述技术方案中，双杆谐振器1中的双杆厚度范围分别为190～210nm和260～280nm，绝缘介质层的厚度范围为380～420nm，光栅条单体3的厚度范围为20～30nm。对于超表面结构，结构的参数对光的性质调控具有较大的影响，上述的参数值都是通过系统的参数优化扫描所得，在上述的参数范围内，该超表面结构的非对称偏振转换性能最好。
67.上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2平行，第一谐振器杆1.1与绝缘介质层2的长度方向呈45度夹角。对第一谐振器杆1.1与绝缘介质层2之间的夹角做了参数扫描(0～90)，仿真结果显示当夹角为45度时，非对称偏振转换的带宽最宽(866nm至1020nm波段)内，偏振转换率也最大。
68.上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1与第二谐振器杆1.2之间的距离为290～340nm。双杆的间距在上述范围内，激发的表面等离激元强度最大，偏振转换效果最好。
69.上述技术方案中，所述第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的长度均为425nm，第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的宽度均为85nm，第一谐振器杆1.1和第二谐振器杆1.2的厚度分别为200nm和270nm。当厚度为200nm和270nm时，入射光的交叉偏振透过率最大，达到0.5以上。
70.上述技术方案中，所述绝缘介质层2为sio2层，绝缘介质层2的长度范围为590～610nm，绝缘介质层2的宽度范围为590～610nm。当绝缘介质层2的长和宽为上述范围时，超表面的周期谐振频率(工作频率)才在近红外范围内(866～1020nm)。
71.上述技术方案中，所述光栅条单体3左侧的长边缘与绝缘介质层2底部的左侧宽边缘对齐，且图形化的光栅条单体3长度等于绝缘介质层2的宽度，光栅条单体3左侧的宽边缘与绝缘介质层2底部的左侧长边缘对齐，光栅条单体3的长度范围为590～610mm，光栅条单体3的宽度范围为190～210mm。光栅条单体3的宽度会影响亚波长金属光栅层(光栅条单体3)的偏振选择透过性，当宽度为上述范围时，性能最好。
72.本发明提供了一种近红外非对称超表面偏振调控器，包括：
73.步骤1，在si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出第一层金属膜；
74.步骤2，在第一层金属膜上通过电子束蚀刻形成光栅条单体3；
75.步骤3，在si基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出绝缘介质层单体2，该绝缘介质层单体2由sio2形成；
76.步骤4，在绝缘介质层单体2上采用电子束蒸发沉积法沉积出第二层金属膜；
77.步骤5，在第二层金属膜上通过电子束蚀刻形成双杆谐振器1的第一谐振器杆101与第二谐振器杆102；
78.其中，光栅条单体3的狭缝沿y轴方向周期性分布，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102平行设置，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102与x轴、y轴之间形成45
°
夹角，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102的厚度不同；
79.其中，x轴为光栅条单体3宽度方向，y轴为光栅条单体3长度方向，第一谐振器杆101、第二谐振器杆102、绝缘介质层单体2厚度为z轴方向。
80.本设计在近红外波段(866nm
‑
950nm)，对x
‑
偏振光的交叉偏振透射率达到0.5以上，偏振转换率高达0.9以上，而在近红外波段(886nm至1064nm)内对y
‑
偏振光能保持0.5以上的透射率，同时对偏振转换有较高的阻隔性，交叉偏振透射率在0.1以下。
81.为了表征所提出的宽带高透过超材料结构对入射线偏振光的非对称调控作用，我们通过仿真计算得到对于分别沿x和y方向传播时的线偏振光，超材料结构的偏振透射率谱线如图4和图5所示。其中图4表示偏振方向沿x方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图，同偏振透射率t_xx用黑色点划线表示，交叉偏振透射率t_yx用黑色实线来表示；其中图5表示偏振方向沿y方向的线偏振光正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图，同偏振透射率t_yy用黑色点划线表示，交叉偏振透射率t_xy用黑色实线来表示。对于x偏振光正入射情况而言，在825nm至975nm波长范围内，同偏振透射率t_xx一直接近于0，而在825nm至837nm，840nm至860nm以及878nm至945nm波段内，交叉偏振透射率t_yx一直大于0.5，在849nm处取得峰值为0.64，因此，在所研究频段内，入射的x偏振光在通过宽带高透过超材料结构后大部分转换成了y偏振光，入射的x偏振光通过该材料后变成了其交叉偏振态。而对于y偏振光正入射而言，在800nm至850nm，875nm至960nm波长范围内，交叉偏振透射率t_xy一直接近于0，而在810nm至840nm和866nm至1064nm波段内，同偏振透射率t_yy的数值大于0.5，在918nm处取得峰值为0.81。基于以上分析可知，所提出的宽带高透过超材料结构对于正入射的x线偏振光而言，该结构存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，而对于正入射的y线偏振光而言，只存在极弱的偏振转换功能，大部分将维持原偏振方向通过超材料结构，也就是说，该宽带高透过超材料结构对于正入射的y偏振光而言是一个开的状态，该宽带高透过超材料结构对于正入射的线偏振光存在非对称的偏振调控功能，可以将两个偏振方向上的能量集中到一个偏振方向上来，极大减少了传统偏振器件如玻片等在可见光波段所产生的能量损失。
82.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。