透射式金属超材料光束偏振分布变换器件制造技术

本发明专利技术提供了一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，包括：介质衬底；金属超材料层，设置于介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；介质包覆层，设置于金属超材料层上；金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少具有一对平行的光滑平面侧壁，用以在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔；金属超材料层包含具有一方位角的金属颗粒周期性阵列，通过改变所述方位角调控入射光的偏振旋转角度；或金属超材料层包含具有不同方位角的多个金属颗粒周期性阵列，通过改变多个金属颗粒周期性阵列的空间排布方式变换入射光的空间偏振分布。该器件具有适应波段宽、工作效率高、器件结构简单且易于制备的特点。

【技术实现步骤摘要】
透射式金属超材料光束偏振分布变换器件
本专利技术涉及光学器件领域，具体涉及一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件。
技术介绍
与传统光学器件相比，超材料光学器件以其可灵活设计的器件功能、亚波长量级的有效器件厚度以及易于集成化的平面器件结构等多方面的突出优势而引起了人们的广泛关注。利用光学超材料进行光束偏振分布变换的方案也已屡见报道。按照功能单元材料种类划分，现有超材料光束偏振控制器件可以分为介质超材料偏振控制器件与金属超材料偏振控制器件两类。其中，介质超材料多利用介质颗粒中的米共振对入射光进行偏振调控，而金属超材料一般利用金属结构中的表面等离激元共振进行偏振调控。基于介质超材料的光束偏振控制器件在波长大于其吸收边的波段条件下，其吸收损耗极低，因而器件表现出极高的工作效率；而在波长小于其吸收边的波段条件下，介质材料表现出强吸收，因而无法高效工作。如最常见的介质超材料工作介质硅，其工作波段被限制在1.1微米以上，在可见光波段无法实现高效率的偏振调控。部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够在可见光波段工作，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。早期的金属超材料光束偏振控制器件大多是由单层超薄金属纳米结构构成，该类基于单层超薄金属纳米结构的超材料光束偏振控制器件无法有效地抑制金属结构的反射与吸收，因而其效率很低。多层金属纳米结构中可以同时产生电共振与磁共振，从而可以部分抑制反射与吸收，其效率相比早期单层超薄金属纳米结构的相位调控器件有很大的提升，但是目前最高效率仍然在50％以下，而且多层金属纳米结构的制备工艺复杂、成本高。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，其适应波段宽、工作效率高、器件结构简单且易于制备。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，包括：介质衬底；金属超材料层，设置于所述介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；介质包覆层，设置于所述金属超材料层上；其中，所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少具有一对平行的光滑平面侧壁，用以在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔；所述金属超材料层包含具有一方位角的金属颗粒周期性阵列，通过改变所述方位角调控入射光的偏振旋转角度；或所述金属超材料层包含具有不同方位角的多个金属颗粒周期性阵列，通过改变多个金属颗粒周期性阵列的空间排布方式变换入射光的空间偏振分布。在本专利技术的一些实施例中，所述金属颗粒周期性阵列中的金属颗粒按矩形阵列排布。在本专利技术的一些实施例中，所述金属颗粒的厚度不小于入射光在所述介质包覆层中工作波长的三分之一，用于入射光在所述法布里珀罗谐振腔中形成法布里珀罗共振。在本专利技术的一些实施例中，通过调节所述相邻金属颗粒的光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，用于对该光束偏振分布变换器件工作波长的选取。在本专利技术的一些实施例中，所述金属颗粒周期性阵列的方位角为30°，线偏振的入射光偏振旋转角度为60°。在本专利技术的一些实施例中，所述金属超材料层包括：第一金属颗粒周期性阵列，方位角为0°，位于所述金属超材料层第一区域，该第一区域包括呈对角分布的第一一子区域及第一二子区域；第二金属颗粒周期性阵列，方位角为30°，位于所述金属超材料层第二区域，该第二区域包括呈对角分布的第二一子区域及第二二子区域；以及第三金属颗粒周期性阵列，方位角为-30°，位于所述金属超材料层第三区域，该第三区域包括呈对角分布的第三一子区域及第三二子区域；其中，所述六个子区域整体呈中心对称分布，第一一子区域、第二一子区域、第三一子区域、第一二子区域、第二二子区域和第三二子区域依序环绕所述中心排布，从而实现将线偏振入射光变换为径向偏振矢量光束。在本专利技术的一些实施例中，该光束偏振分布变换器件工作波长范围为可见光到微波波段。在本专利技术的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为该光束偏振分布变换器件工作波段内无吸收的介质。在本专利技术的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为二氧化硅或三氧化二铝。在本专利技术的一些实施例中，所述金属颗粒的材料为金、银、铜、铝或其组合。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件至少具有以下有益效果其中之一：(1)相较于现有的金属超材料光束偏振分布变换器件，本专利技术避开了高损耗的金属结构表面等离激元共振，利用金属颗粒周期性阵列中的高透射法布里珀罗共振及阵列方位角来实现对光束偏振分布的变换，提高了工作效率；(2)本专利技术提供的金属超材料光束偏振分布变换器件的金属超材料层的厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且器件结构简单，易于制备；(3)通过调节相邻金属颗粒光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该光束偏振分布变换器件工作波长的选取，使该光束偏振分布变换器件能够适用于更宽的波段，而不必受介质材料禁带宽度的限制。附图说明图1为本专利技术第一实施例中一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件的剖面结构示意图。图2a为本专利技术第一实施例中金属超材料层中方位角θ＝30°的金属颗粒周期性阵列结构俯视示意图。图2b为本专利技术第一实施例中金属超材料层中方位角θ＝0°的金属颗粒周期性阵列结构俯视示意图。图2c为本专利技术第一实施例中金属超材料层中方位角θ＝-30°的金属颗粒周期性阵列结构俯视示意图。图3为本专利技术第一实施例中金属颗粒周期性阵列的方位角与线偏振入射光的偏振旋转角的关系曲线。图4为本专利技术第二实施例中方位角不同的金属颗粒周期性阵列组成的将线偏入射光束变换为径向偏振矢量光束的金属超材料层结构示意图。【符号说明】1介质衬底；2金属超材料层；3介质包覆层；4，7方位角θ＝0°的金属颗粒周期性阵列；5，8方位角θ＝30°的金属颗粒周期性阵列；6，9方位角θ＝-30°的金属颗粒周期性阵列。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供了一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件。图1为本专利技术第一实施例中一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件的剖面结构示意图，其中z坐标方向代表器件垂直方向，x、y坐标方向代表器件水平方向。请参照图1，本专利技术提出的透射式金属超材料光束偏振分布变换器件包括：介质衬底1；金属超材料层2，设置于所述介质衬底上，所述金属超材料层包含周期性金属颗粒阵列；介质包覆层3，设置于金属超材料层上；其中，金属超材料层2的厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且器件结构简单，易于制备。金属超材料层2包含的金属颗粒周期性阵列中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，包括：介质衬底；金属超材料层，设置于所述介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；介质包覆层，设置于所述金属超材料层上；其中，所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少具有一对平行的光滑平面侧壁，用以在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔；所述金属超材料层包含具有一方位角的金属颗粒周期性阵列，通过改变所述方位角调控入射光的偏振旋转角度；或所述金属超材料层包含具有不同方位角的多个金属颗粒周期性阵列，通过改变多个金属颗粒周期性阵列的空间排布方式变换入射光的空间偏振分布。

【技术特征摘要】
1.一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，包括：介质衬底；金属超材料层，设置于所述介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；介质包覆层，设置于所述金属超材料层上；其中，所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少具有一对平行的光滑平面侧壁，用以在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔；所述金属超材料层包含具有一方位角的金属颗粒周期性阵列，通过改变所述方位角调控入射光的偏振旋转角度；或所述金属超材料层包含具有不同方位角的多个金属颗粒周期性阵列，通过改变多个金属颗粒周期性阵列的空间排布方式变换入射光的空间偏振分布。2.根据权利要求1所述的一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，其中，所述金属颗粒周期性阵列中的金属颗粒按矩形阵列排布。3.根据权利要求2所述的一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，其中，所述金属颗粒的厚度不小于入射光在所述介质包覆层中工作波长的三分之一，用于入射光在所述法布里珀罗谐振腔中形成法布里珀罗共振。4.根据权利要求3所述的一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，其中，通过调节所述相邻金属颗粒的光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，用于对该光束偏振分布变换器件工作波长的选取。5.根据权利要求1所述的一种透射式金属超材料光束偏振分布变换器件，其中，所述金属颗粒周期性阵列的方位角为30°，线偏振的入射...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦欣，胡晓斌，宋国峰，李健，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11