一种基于表面等离子激元的超表面四分之一波片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于表面等离子激元的超表面四分之一波片，属于光学元件技术 领域。
【背景技术】
[0002] 现有技术中，在光的研究与应用领域，控制光的偏振态是至关重要的，目前对纳 米量级的光学操控主要有两种方法。第一种方法是基于光子晶体，通过控制光子晶体的内 部结构来调控光学传输路径，从而实现光学信息的传递、调制和光互连等等，如纳米微腔、 光波导、分光器件等，不过目前的光子晶体几乎都是三维结构，对于其设计和制备有很大困 难。第二种方法是控制表面等离子体激元（SPP)的传播，表面等离子体激元产生于金属与 介质表面，是光和金属表面的自由电子共振所引起的混合激发态，也是一种电磁波。利用表 面等离子体激元可以将对光学的控制从三维降为二维，从而更容易、有效地调控超衍射极 限的光学信息传播，同时在近场局部区域实现电磁能量放大，在亚波长结构纳米光子器件 设计集成、纳米光刻等领域有着重要应用。
[0003] 2011年Khoo和Zhao提出了相互正交的狭缝型结构，在金属薄膜上设计周期性互 相垂直的矩形狭缝，通过控制矩形狭缝的长度、宽度、厚度以及排列方式，可实现透射光在 沿两狭缝方向上的振幅及位相可调，实现了目标波长（800纳米和650纳米）处两正交方向 上，即实现了光学四分之一波片功能。2012年Roberts等人提出了十字型机构，即利用 带有亚波长十字型结构图案的金属银薄膜。通过调节周期性真铁的十字型的几何尺寸，可 以在近红外特定波长处实现四分之一波片的功能。此外，2011年，Baida等人提出了一种通 过嵌有亚波长双图案的金属薄膜实现各向异性材料波片的设计方法。金属薄膜的厚度是决 定两正交方向上位相差的关键参数，从而实现了四分之一波片和半波片功能。作为四分之 一波片，转换效率和工作波段范围是表征其特性的两个重要因素。上述研究大多针对偏振 态转换效率做了研究，却未能兼顾工作波段的特性，或工作波段较窄。
[0004] 中国专利申请号2012105755070公开了一种亚波长矩形环阵列四分之一波片，但 此设计的矩形环结构仍然存在着一个问题，即太高的深宽比，深度达200纳米，最小缝宽仅 不到50纳米，深宽比在4:1以上，这给加工制作带来了极大的难度，以目前的加工手段几乎 难以实现。
[0005] 有鉴于此，开发一种新的四分之一波片，解决上述的缺点显然具有积极的现实意 义。
【发明内容】
[0006] 本发明的发明目的是提供一种基于表面等离子激元的超表面四分之一波片，解决 现有厚度大、加工难和波段窄的问题。
[0007] 为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于表面等离子激元的超 表面四分之一波片，所述波片包括矩形基底和设置在矩形基底上的银膜，所述银膜由若干 周期性的孔径单元矩阵排列构成，每个所述孔径单元均设有两个上下中心对称的横向孔径 和两个左右中心对称的纵向孔径，所述横向孔径的内边的延长线不与纵向孔径有交点，所 述纵向孔径的内边的延长线不与横向孔径有交点； 所述横向孔径的长度dx的范围为150~170nm，宽度wy的范围为50~70nm，所述纵 向孔径的长度dy的范围为150~250nm，宽度wx的范围为110~130nm，所述银膜的厚度 h为50~140nm，相邻所述孔径单元之间的中心间距P的范围为530~570nm。
[0008] 优选地，所述基于表面等离子激元的超表面四分之一波片的工作波长范围为 1400 ~1700nm〇
[0009] 优选地，所述矩形基底为矩形Si02基底。
[0010] 进一步的技术方案中，所述基于表面等离子激元的超表面四分之一波片的工作波 长为 1550nm。
[0011] 本发明的设计原理如下：通过人工设计和制作一个沿着界面的不连续相位，人们 可以完全操控并实现广义斯涅尔（Snel1)定律所描述的反常折射和反射：
公式中的七分别为折射角，入射角和反射角分别表示两种介质在传输面 和入射面的折射率，为真空波长。这些公式表明沿着某一界面不连续相位的渐变__:可 以改变折射和反射光的方向，并且是在一个非常薄的界面实现的。
[0012] 光束从介质进入金属界面时会迅速衰减，但在介质与金属分界面上却可以传播， 即激发出的表面等离子波（SPs)，这是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界 面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。采用线偏振光对本发明照射，光束偏 振方向与X轴成45°，从波片下方往上入射，结果显示光束的透过率会有一个峰值，即局域 表面等离子共振峰（LSPP)。在该峰值处激发的共振腔会对光束的光学性质产生不同的影 响。
[0013] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点： 本发明基于表面等离子激元的超表面四分之一波片具有结构简单、易于集成、厚度薄、 加工难度小、波段宽等优点，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中， 具有很大的应用价值。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明实施例一孔径单元的结构示意图； 图3是图2的俯视图； 图4是本发明相邻孔径单元中心距离对透射光谱的影响曲线示意图； 图5是本发明相邻孔径单元中心距离对透过率的影响曲线示意图； 图6是本发明横向孔径长度的变化对透射光谱的影响曲线示意图； 图7是本发明横向孔径长度的变化对透过率的影响曲线示意图； 图8是本发明纵向孔径长度的变化对透射光谱的影响曲线示意图； 图9是本发明纵向孔径长度的变化对透过率的影响曲线示意图； 图10是本发明纵向孔径宽度的变化对透射光谱的影响曲线示意图； 图11是本发明纵向孔径宽度的变化对透过率的影响曲线示意图' ; 图12是本发明横向孔径宽度的变化对透射光谱的影响曲线示意图； 图13是本发明横向孔径宽度的变化对透过率的影响曲线示意图； 图14是本发明银膜厚度的变化对透射光谱的影响曲线示意图； 图15是实施例一银膜厚度的变化对透过率的影响曲线示意图； 图16是实施例一在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相与位 相差的曲线不意图； 图17是实施例一在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图。
[0015] 图18是实施例二在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相 与位相差的曲线示意图； 图19是实施例二在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图； 图20是实施例三在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相与位 相差的曲线不意图； 图21是实施例三在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图； 图22是实施例四在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相与位 相差的曲线不意图； 图23是实施例四在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图； 图24是实施例五在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相与位 相差的曲线不意图； 图25是实施例五在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图； 图26是实施例六在透射光波长1400~1700nm的照射下X方向和Y方向的位相与位 相差的曲线不意图； 图27是实施例六在透射光波长1400~1700nm的照射下透过率的曲线示意图； 图28是实施例六孔径单元的结构示意图。
[0016] 其中：1、横向孔径；2、纵向孔径；3、银膜；4、矩形基底。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 实施例一：参见图1所示，一种基于表面等离子激元的超表面四分之一波片，波片包括 矩形基底和设置在矩形基底上的银膜，银膜由若干周期性的孔径单元矩阵排列构成，每个 孔径单元均设有两个上下中心对称的横向孔径和两个左右中心对称的纵向孔径，横向孔径 的内边的延长线不与纵向孔径有交点，纵向孔径的内边的延长线不与横向孔径有交点。
[0018] 如图2、图3所示，孔径单元基本结构包括带有孔径的银膜和对应的基底，相邻孔 径单元之间的中心间距为P，即孔径单元的周期也可以用P表示，也就是孔径单元的边长为 P〇
[0019] 本发明的工作波长为1400nm至1700nm。
[0020] 本实施例中矩形基底为矩形Si02基底。
[0021] 参见图4所示，为相邻孔径单元中心距离对透射光谱的影响曲线示意图，即孔径 单元边长P对透射光谱的影响曲线示意图，其中横向孔径的长度dx=160nm，宽度wy=60nm， 纵向孔径的长度dy=200nm，宽度wx=120nm，当阵列单元周期P=550nm，横向孔径的长度 dx=160nm，宽度wy=60nm，纵向孔径的长度dy=200nm，宽度wx=120nm时，所对应的共振波长 λ=1555. 5nm，所对应的位相差为1. 43,参见图5所示，其对应的透过率T=0. 508。从图4中 可以看出，随着周期Ρ的增大，共振波长非线性变化，但是偏移很小，基本保持不变，位相差 逐渐增大，