一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器制造技术

本发明专利技术公开了一种可调太赫兹磁光超表面偏折器，该器件由超晶胞排列出的周期单元构成，每个超晶胞包括一个InSb基底和一对正交取向的Si柱和InSb柱。无磁场时，该器件利用相消干涉抑制了相位调控功能，实现了光束的直接透过，此时超晶胞极化转换率低于15％，光束透过率高于

【技术实现步骤摘要】
一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器


[0001]本专利技术属于太赫兹科学
，具体涉及一种对入射圆偏光具有手性选择、可主动调控的太赫兹光束偏折器件。

技术介绍

[0002]太赫兹波是指频率在0.1
‑
10THz范围内的电磁波，介于微波与红外波段之间，具有光子能量低、频率高、可用带宽大等优点，在无损检测、生物医学、军事、天文、环境等方面展示出巨大的应用前景。近年来，随着太赫兹技术的发展，太赫兹多功能器件需求上升。其中，光束偏折器具有改变波前相位、操控光束传播方向的能力，在太赫兹通信、太赫兹探测等领域发挥重要作用。
[0003]超表面是实现相位调制的一个重要解决方案，当超表面的中单元结构可以作为半波片而存在时，该单元便可对圆偏光实现交叉极化并引入几何相位，从而实现相位调制。当引入的几何相位使波前面倾斜时，便可实现偏折，此时引入的偏折角服从广义斯涅尔定理[Science,2011,334:333
‑
337]。基于这种思想，M.Khorasaninejad等人在975nm波段实现了对入射光束的偏折[Nat.Commun.,2014,5:5386]，并将入射左旋光和右旋光分离。相较于传统光学使用光学晶体进行光束偏折的方法，超表面具有轻薄、集成度高、偏折方向可以通过结构设计等优点。但是，这种通过几何相位来实现波前面倾斜的器件会使左旋光和右旋光分别向对称的方向偏折，使得该器件无法分别对这对手性光进行单独的相位调制，因而也无法选择性地偏折一种手性光。
[0004]为了让器件可以对左旋光和右旋光进行单独的调控，部分学者尝试通过设计手性结构来实现。如：2017年，A.Y.Zhu等人利用具有手性的“万”字型结构实现了左旋光和右旋光的手性调制，该器件使右旋光向0级衍射，左旋光向
±
1级衍射，实现了手性的偏折[Light Sci.Appl.,2018,7:17158]。但是，该器件偏折方向依赖于单元周期，且工作波长也会随单元大小改变，因此偏折角度的设计会受到限制。另外，此类器件的光学手性是基于结构的手性而存在的，由于结构一经加工便固定下来，所以这种器件一般始终具有手性，无法关闭其手性的功能。实现光学手性的另一种方法就是使用手性材料，其中，磁光材料最为突出。在外加磁场的作用下，左旋光和右旋光会在磁光材料中具有不同的传播常数，因而会带来手性吸收或旋光等功能。因此，在之前的研究中，磁光材料通常用作隔离器或偏振转换器的基础部分，其复杂的电磁特性有待进一步开发。值得注意的是，尚未有器件利用磁光材料实现手性偏折功能，即无法选择性的偏折一种手性光。另外，磁光材料还具有主动可调的功能，为克服手性结构在无源情况下无法关闭手性功能的缺陷提供了理论工具。
[0005]综上所述，其一，对单一手性光选择性地进行偏折依然存在困难；其二，由于超材料结构固定，主动可调的器件依然具有研究价值；其三，实际使用中，取出器件和插入调整器件是一个较为复杂的过程，所以实现功能的开关具有实际应用价值；其四，由于外加源常常是需要消耗能量的，尤其是可调的磁场源通常由通电线圈产生，所以无源情况下令光束直接透过器件，有源情况下开启器件功能更具有实际应用价值。由于上述四点，国内外报道
的研究无法同时满足，因此急需一种具有手性选择功能、主动可调、可在无源情况下关闭调制功能、可快速便捷开启调制功能的太赫兹偏折器。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种主动可调的太赫兹手性偏折器，其具有在无源情况下实现光束直接透过、通过外加磁场实现手性光选择性偏折的功能。以解决
技术介绍
中太赫兹偏折器无法手性偏折、难以开关并调控器件功能等关键技术问题。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器用到的材料为高阻硅(Si)和锑化铟(InSb)，其中，InSb是一种太赫兹波段重要的磁光材料。该器件由Si柱、InSb柱和InSb基底组成，其中由一个Si柱和一个InSb柱直立于InSb基底上方，构成一个超晶胞，该超晶胞为该器件的最小功能单元。一个超晶胞可以分为两个子单元，即：包含InSb柱和InSb基底的InSb单元以及包含Si柱和InSb基底的Si单元，其中，InSb柱和Si柱的长边取向正交。无磁场情况下，由于正交的InSb柱和Si柱产生的几何相位相差180
°
，所以两个子单元出射的交叉极化分量产生相消干涉，抑制交叉极化，保证光的直接透过。在存在外加磁场的情况下，磁光材料的电磁性质改变，抑制交叉极化的相消干涉被破坏，交叉极化分量增大。另外，利用InSb基底的圆二色性，选择性地对单一手性光产生交叉极化并使另一个手性光直接透过。之后，利用六个超晶胞按几何相位规律排布构成一个周期单元，其中超晶胞中的Si柱取向角依次相差30
°
，此时相邻的两个超晶胞之间几何相位相差60
°
。通过这种排列，可以使一个周期单元中超晶胞的几何相位依次为0
°
、60
°
、120
°
、180
°
、240
°
和300
°
，进而实现波面倾斜的功能，将该周期单元做周期延拓即可得到所述可调太赫兹磁光手性超表面偏折器。
[0008]该可调太赫兹磁光手性超表面偏折器包括：长度为95～105μm，宽度为55～65μm，高度为500μm的Si柱(1)，长度为105～115μm，宽度为65～75μm，高度为500μm的InSb柱(2)，厚度为100～200μm的InSb基底(3)。其中，磁光材料InSb的本征载流子浓度为4
×
10
14
cm
‑3。每个超晶胞(4)长度为280μm，宽度为140μm。
[0009]该可调太赫兹磁光手性超表面偏折器的工作方法是：将该器件放置于太赫兹光路中，并置于70K～90K的环境中，沿着传播方向加入一个用于调控的外加偏置磁场，偏置磁场的磁感应强度在
±
0.3T之间，入射光垂直入射该超表面偏折器，工作频段在0.45THz
‑
0.65THz。当外加偏置磁场为0T时，光束直接透过器件，不产生波前相位调制，因而不产生偏折。当存在外加磁场时，实现手性偏折功能。在正向偏置磁场的情况下，入射右旋圆偏光将通过该器件产生偏折，左旋圆偏光直接透过；在反向偏置磁场的情况下，入射左旋圆偏光将通过该器件产生偏折，右旋圆偏光直接透过。正向偏置磁场下入射右旋光的偏折角度与反向磁场下入射左旋光的偏折角度相反，在工作频段内，偏折角度的范围为15.9
°
～23.4
°
。
[0010]本专利技术的有益效果和优点是：
[0011]1.该器件通过巧妙地利用干涉相消的原理，在无磁场情况下强烈的抑制了超晶胞的相位调制功能，此时工作范围内极化转换率低于15％，同时保持较高的透过率，透过率在
‑
5dB附近。这使器件对光束产生的影响可以忽略，有力地保证光束的直接透过，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器，其特征在于，所述器件由Si柱(1)、InSb柱(2)和InSb基底(3)组成，其中，一个Si柱(1)和一个InSb柱(2)直立于InSb基底(3)上方，构成一个超晶胞(4)，一组Si柱(1)和InSb柱(2)取向角连续变化的超晶胞构成一个周期单元(5)，周期单元(5)在X和Y方向上周期延拓得到所述的一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器；入射圆偏光从可调太赫兹磁光手性超表面偏折器上方沿
‑
Z方向入射，正向偏置磁场沿着+Z方向，反向偏置磁场沿
‑
Z方向。2.根据权利要求1所述的一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器，其特征在于，一个超晶胞(4)可以分为两个子单元，分别是由Si柱(1)和InSb基底(3)构成的Si单元(6)以及由InSb柱(2)和InSb基底(3)构成的InSb单元(7)；Si单元(4)和InSb单元(5)的周期均为140μm
×
140μm，所构成的超晶胞长度为280μm，宽度为140μm；InSb基底(3)厚度为100～200μm；在每一个超晶胞(4)中，Si柱(1)是各向异性的长方体，长度为95～105μm，宽度为55～65μm，高度为500μm；InSb柱(2)是各向异性的长方体，长度为105～115μm，宽度为65～75μm，高度为500μm；Si柱(1)和InSb柱(2)两者长边方向正交。3.根据权利要求1所述的一种可调太赫兹磁光手性超表面偏折器，其特征在于，一个周期单元(5)包含六个超晶胞(4)，每个超晶胞(4)均具有引入不同的几何相位的功能；沿着+X方向，Si柱(1)的取向角依次为0
°
、30
°
、60
°
、90
°
、120
°
和150
°
，相应的、与之正交的InSb柱的取向角依次为90
°
、120
°
、150
°
、0
°
、30
°
和60
°
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淏，范飞，常胜江，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：