基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件制造技术

本发明专利技术公开一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离构成近似“T”形结构；其在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。类似的，还公开一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，在第一频率波段具有半波片功能，在第二频率波段具有四分之一波片功能。本发明专利技术利用复合结构单元能在红外波段的不同工作频段分别实现不同的光学功能，以进一步促进光学元器件的小型化和集成化。

【技术实现步骤摘要】
基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件
本专利技术属于光电功能器件与材料制备
，具体涉及通过三维复合结构单元的设计可在不同频段分别实现不同的波片功能的偏振调节元器件。
技术介绍
偏振调控在现代光学光电子学等诸多研究领域有着重大应用。如何对偏振态进行精确而灵活地调控一直都是光学和光子学研究中的重要问题。过去利用自然界中的双折射晶体实现对光的偏振转换。随着光电器件小型化和集成化的发展，传统的基于光学晶体的偏振态调控方案由于其器件的体积较大，因此应用上受到诸多限制。如果要进一步减小光学元件尺寸，提高光学系统的集成度，则需要一种新的设计思路。近年来利用人工微结构，包括超材料和超表面来进行偏振态调控可以大大缩小偏振调节元器件的体积。如果能够进一步将多种不同的功能集成到一个光学元件上，让一个器件实现原先需要多个器件才能实现的功能，那么就可以更进一步的提高元器件的集成度，缩小体积并且降低制造成本。
技术实现思路
为进一步促进光学元器件的小型化和集成化，本专利技术为在三维立体人工微结构的基础上，利用复合结构单元实现多种光学功能的设计思路，提出基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，能在红外波段的不同工作频段分别实现不同的光学功能。本专利技术的具体技术方案包括以下两种：方案一：一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；所述三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，所述第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离，从而构成近似“T”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维T形结构单元在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。优选的，所述第一结构长于且高于第二结构。优选的，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，2.7±0.1微米；所述第二结构的高度为1.3±0.1微米，长度1.6±0.1微米；优选的，所述第一结构和第二结构间隔0.76±0.03微米。优选的，所述第一结构和第二结构的宽度为0.5±0.05微米。优选的，所述周期为3.6±0.2微米。优选的，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。方案二：一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维X形结构单元；所述X形结构单元包括均为方砖状的一个第一结构和两个第二结构，两个第二结构分别垂直分布在第一结构的两侧且与第一结构间隔一定距离，从而构成近似“X”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维X形结构单元在第一频率波段具有半波片功能，在第二频率波段具有四分之一波片功能，所述第一频率低于第二频率。优选的，所述第一结构长于且高于第二结构。优选的，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，长度4.5±0.1微米；所述第二结构的高度为1.1±0.1微米，长度1.7±0.1微米；优选的，所述第一结构和第二结构间隔0.27±0.02微米。优选的，所述第一结构和第二结构的宽度为0.3±0.03微米。优选的，所述周期为3.6±0.2微米。优选的，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。基于上述两种方案，本专利技术将具有不同光学功能的第一结构和第二结构在一个结构单元中进行复合，可实现的功能从物理原理上看是利用了三维结构特有高度可调节属性，这是传统二维结构无法获得的。三维结构在组合的过程中除了平面上的距离和位置可以调节，相对于普通二维结构，在高度上也可以对第一结构和第二结构进行分别设计。这样一来，可以利用镜像原理和相位共轭原理，为第一结构和第二结构分别设计不同的高度，从而实现一定的宽带效果。另一方面，还可以利用高度空间上的差别将第一结构和第二结构分离，从而使得他们彼此之间的耦合效果得以减弱，保证光学功能互不影响。而反过来考虑二维结构，则不具备这样的设计可能。本专利技术通过调节第一结构和第二结构的高度和长度，可以在不同频段实现半波片或四分之一波片的功能。需要说明的是，四分之一波片和半波片是偏振态调节光学元件中最基本最重要的两个器件。在光学研究中，如果想要灵活的改变偏振态，基本上就是使用这两种波片进行组合与调节，因此，从波片功能而言，也就只有这两个通常功能。本专利技术具有以下有益效果：(1)提出一种利用三维复合结构实现多种光学功能的设计思路，通过将具有不同光学功能的第一结构和第二结构在一个结构单元中进行复合，得到三维复合结构单元的设计，仅仅通过一个元器件便可在不同频段分别实现不同的波片功能，并首次公开了两种工作频段在红外波段的基于三维立体人工微结构的多功能偏振态调制元器件设计。(2)采用的结构基本单元是具有不同高度和长度的方砖形结构，与二维结构相比，三维立体结构由于高度之间存在差异，在不同基础单元组合成为复合单元时彼此间的耦合较弱，在进行参数调试的时候不同基本单元之间的相互影响较少，便于设计和实现多种功能。(3)所设计的T形多功能偏振调节元器件(T形复合结构)，在低频率波段T形复合结构具有四分之一波片功能，在高频率波段T形复合结构具有半波片功能，而原先要实现这种功能需要同时使用一块低频率波段的四分之一波片和高频率波段的半波片。(4)所设计的X形多功能偏振调节元器件(X形复合结构)，在低频率波段X形复合结构具有半波片功能，在高频率波段X形复合结构具有四分之一波片功能，而原先要实现这种功能需要同时使用一块低频率波段的半波片和高频率波段的四分之一波片。附图说明图1是T形复合结构在中红外波段实现低频四分之一波片高频半波片的实验图，其中：(a)是T形复合结构单元按周期排列的阵列示意图，(b)是T形复合结构的结构单元示意图，(c)是制备出的T形复合结构的扫描电子显微镜照片，(d)是制备出的T形复合结构的扫描电子显微镜照片，(e)是T形复合结构偏振转换的实验测量结果，(f)是T形复合结构偏振转换的计算机模拟结果；图2是X形复合结构在中红外波段实现低频半波片高频四分之一波片的实验图，其中：(a)是X形复合结构单元按周期排列的阵列示意图，(b)是X形复合结构的结构单元示意图，(c)是制备出的X形复合结构的扫描电子显微镜照片，(d)是制备出的X形复合结构的扫描电子显微镜照片，(e)表示X形复合结构偏振转换的实验测量结果，(f)表示X复合结构偏振转换的计算机模拟结果；图3是利用X形复合结构进行红外成像的实验图，其中：(a)是利用不同旋转角度的X形复合结构制备成的图像的电子显微镜照片；(b)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为x方向的焦平面阵列图像，积分区间为1400-1900波数；(c)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为x方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(d)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为y方向的焦平面阵列图像，积分区间为1400-1900波数；(e)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为y方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(f)是在45°偏振方向入射光下，检偏方向为45°方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(g)是在45°偏振方向入射光下，检偏方向为135°方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数。具体实施方式本专利技术在衬底上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其特征在于，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；所述三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，所述第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离，从而构成近似“T”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维T形结构单元在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其特征在于，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；所述三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，所述第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离，从而构成近似“T”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维T形结构单元在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。2.如权利要求1所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，长度2.7±0.1微米；所述第二结构的高度为1.3±0.1微米，长度1.6±0.1微米。3.如权利要求2所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构和第二结构间隔0.76±0.03微米。4.如权利要求2所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述周期为3.6±0.2微米。5.如权利要求1至4任意一项所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。6.一种基于三...

【专利技术属性】
技术研发人员：王牧，熊翔，彭茹雯，孙思嘉，高雅君，陈飞，范仁浩，郝西萍，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32