基于金棒和金孔阵列复合结构的圆偏振转换器制造技术

本发明专利技术公开了基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器，由二氧化硅衬底和上层金棒—蜂窝状金孔阵列复合的超表面结构组成的。本发明专利技术可以实现线偏振—圆偏振光和圆偏振—圆偏振光的转换，具有较高的偏振转换率(PCR)，这为高性能偏振操纵器件的设计提供了可靠的结果；此外还发现了一些关于金棒旋转角度(θ)与手性之间的规律，为手性传感的设计也提供而一些方法。本发明专利技术新颖的结构设计和优异的性能，有望广泛应用于今后微纳偏振操纵器件的设计中。的设计中。的设计中。

【技术实现步骤摘要】
基于金棒和金孔阵列复合结构的圆偏振转换器
(一)

[0001]本专利技术涉及中红外波偏振操纵
，具体是指基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器。
(二)
技术介绍

[0002]中红外波通常被定义为波长处于2.5～25μm范围内的电磁波。可用于检测，鉴定和成像分子，从而在通信、医疗、国防等方面有着重要的应用。对中红外光传输的有效控制，是决定中红外光能否得到更好应用的重要因素。而中红外激光偏振态的调控是中红外激光传输控制中的关键环节，吸引了许多学术界和产业界的关注。
[0003]目前，对中红外波偏振的操纵在信息存储、量子信息、通信等领域均有着十分广泛的应用。但传统的研究大多是利用双折射晶体、液晶或者光栅等尺寸较大的宏观元件来操纵电磁波，但是这些元件因尺寸问题而无法在微纳光学元件中集成。当前随着集成电路发到了一个空前的时代，微纳尺寸的偏振操纵器件是至关重要的。近年来随着超材料技术的深入研究，实现了多种超材料操纵电磁波的结构，例如：偏振分束器、偏振转换器等。
[0004]本专利技术设计了一个基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器，通过旋转中间的金属棒可以破坏结构的对称性，使得结构具有一定的手性进而操纵偏振，可以实现线—圆偏振和圆—圆偏振的转换，而且在某些特定的旋转角度时，结构具有非常强烈的圆二向色性(CD)，还发现了一些有关于周期和偏振转换效果之间的规律，为高性能中红外偏振转换器和手性传感的研究提供了很大的结果支持。
(三)
技术实现思路

[0005]本专利技术公开了基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器，可以实现中红外波段的偏振转换功能。
[0006]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0007]基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器：在底层金上生长一层二氧化硅衬底，然后在衬底上镀一层蜂窝状排列的金孔阵列，然后在金孔中生长一根金棒。二氧化硅的厚度为H2＝5μm，金棒和孔阵列的高度相同为H1＝5μm，底层金的高度H3满足反射的需求即可，金属棒长和宽分别固定为10μm和2μm，金属孔的半径固定为5μm，结构x方向的周期T为固定为12μm。本专利技术所述的基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器在某一特定的频率处，可以将入射光中线偏振光转换成圆偏振光，或者将圆偏振光转换成相反的圆偏振光。
(四)附图说明
[0008]图1为基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器的二维周期单元结构俯视图。
[0009]图2为本专利技术的周期单元结构纵向剖面图。
[0010]图3为本专利技术的θ＝20
°
时，左圆偏振(LCP)转换为右圆偏振(RCP)的反射谱，以及其偏振转换率图。
[0011]图4为本专利技术的y方向周期Λ分别变为12μm、14μm、16μm后的线—圆偏振转换与θ之间的规律图。
[0012]图5为本专利技术的金棒旋转角θ＝26.57
°
时，结构在LCP和RCP入射下的反射谱，以及其CD谱。
(五)具体实施方式
[0013]为了使本专利技术的方案和优点更加清楚明白，下面参照附图并结合实施例对本专利技术作进一步解释说明，以下实施例仅对本专利技术进行说明并非对其加以限制。
[0014]如图2所示，在底层金上生长一层二氧化硅衬底，然后如图1所示，在衬底上镀一层蜂窝状排列的金孔阵列，然后在金孔中生长一根金棒。二氧化硅的厚度为H2＝5μm，金棒和孔阵列的厚度相同为H1＝5μm。
[0015]本专利技术的结构参数如图1所示：金棒长和宽分别固定为10μm和2μm，金孔的半径固定为5μm，结构x方向的周期T为固定为12μm。
[0016]采用三维时域有限差分(FDTD)法对结构进行仿真，FDTD边界条件设置为：z轴正负方向设置为完美匹配层(PML)，x轴和y轴正负方向设置为周期边界条件，入射光为11μm至13μm的圆偏振波。
[0017]圆偏振波沿z轴负方向垂直射入结构，当左圆偏振(LCP)光入射时，会发生一个偏振转换的现象，即监视器输出为右圆偏振(RCP)光。下面结合具体实例来对此进行说明。
[0018]在偏振转换器中，一般用偏振转换率(PCR)参数来评价其性能，通常定义为：其中，R
LR
和R
LL
分别表示LCP入射下，RCP和LCP的反射系数。
[0019]如图3所示，为θ＝20
°
时，左圆偏振(LCP)入射下的反射谱，以及其偏振转换率图。图3(a)中我们发现，超过90％的LCP都转化成了RCP，具有较为优异的转化效果；并且在图3(b)中计算了其偏振转化率，可以发现，在12.1μm处有接近100％的高转换率。
[0020]如图4所示，分析了y方向周期Λ改变后，线—圆偏振的转换有何规律。图4(a)所示在Λ＝12μm时，当θ＝26.57
°
时，偏振转换的反射率达到最高，说明明此时的转换效果是最好的，而且此时由于Λ＝12μm，因此金棒之间组成六边形图案的对角线与y方向的夹角也为26.57
°
，如图1所示。为了探究此现象是否是一种潜在的规律，我们分别又将Λ改为14μm和16μm，如图4(b)和(c)所示，我们发现，无论Λ如何变化，线—圆偏振总是在金棒与六边形对角线位置重合时达到最优。
[0021]通常会用圆二向色性(CD)的大小来衡量一个结构的手性强弱：CD＝|A
LCP
‑
A
RCP
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，A
LCP
和A
RCP
分别表示结构对LCP和RCP的吸收系数。因为底层金属的反透射作用，因此结构的透射率T＝0。因此，CD＝|R
LCP
‑
R
RCP
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，R
LCP
和R
RCP
分别表示结构对LCP和RCP的反射系数。
[0021]如图5所示，为θ＝26.57
°
时，结构的手性分析图。如图5(a)所示，为LCP和RCP入射下的反射谱，我们发现在12.1μm处，结构对二者的响应存在着巨大的差异，可能是在此时，结构的镜像对称性最大程度上被破坏，导致存在着极强的手性以操纵偏振状态，因此圆二向色性(CD)也高达0.88，如图5(b)所示。
[0022]根据上述结果，本专利技术的偏振转换器反射率最高可达0.9以上，偏振转换率最高可达100％，达到了优异的性能；并且还找到了一些关于手性最强点的规律，为高性能偏振转换器和手性传感器的相关设计提供了可靠的结果。
[0023]以上对本专利技术创造的实施例进行了具体的说明，但本专利技术并不限于实施例。在不脱离本专利技术原理的情况下，凡是本领域技术人员在本专利技术的启示下获得的其它实施方式，均视为在本专利技术的保护之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器，其特征在于：在金属层4上生长一层衬底3，在衬底3上镀上了一层蜂窝状排列的金属孔阵列2，然后在金属孔中生长金属棒1，衬底3为二氧化硅，厚度H2＝5μm；1和2的材料为金，其高度相同为H1＝5μm；4的材料为金，起到一个底层金属反射镜的作用，其高度H3满足反射的需求即可；结构x方向的周期为T，结构y方向的周期为Λ。2.根据权利要求1所述的基于金棒和金孔阵列复合结构的中红外偏振转换器，其特征在于：金属棒长和宽分别固定为10μm和2μm。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖功利，周嗣童，杨宏艳，陈佳宇，赖子凡，李海鸥，陈赞辉，张法碧，孙堂友，陈永和，刘兴鹏，王阳培华，邓艳容，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：