[發明專利]一種單層平面手性金屬結構圓偏振器

無效

• 申請號: 201410653609.9
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104316988A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 葉衛民;袁曉東;郭楚才;張檢發;楊彪;劉肯;朱志宏;曾淳
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30;H01Q15/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 李振

技術領域

本發明屬于電磁波器件，涉及光學、太赫茲、微波和其它頻段電磁波技術領域，具體涉及一種單層平面手性金屬結構圓偏振器。

背景技術

圓偏振器是光學、太赫茲、微波和其它電磁波領域的一種重要的偏振元器件，它在光學顯微、三維顯示、激光技術、通信、雷達等領域都有著重要的應用。目前，在光學領域，通常利用線偏振器和四分之一波片兩個分立元器件構成圓偏振器。這種結構最大的不足是使用了兩個分離的光學元件，因此器件尺寸大，不利于集成。同時，受四分之一波片工作波長范圍的限制，這種器件通常工作波長范圍較窄。類似的結構也可以用于太赫茲波段。但受到材料等的限制，在太赫茲領域，有效的圓偏振器目前還比較匱乏。在微波和其它電磁波波長相對較長的電磁波領域，人們同樣希望能夠獲得集成、結構簡單、易于制作的圓偏振器。

利用單一集成結構器件實現圓偏振器具有重要的意義。在以往的研究與發明中，人們通常利用三維手性結構，如多層旋轉或者三維螺旋結構來實現這樣的器件：2009年9月，德國卡爾斯魯厄大學的研究人員提出了一種基于螺旋狀金屬線柵的圓偏振器(Justyna?K.Gansel?et?al，“Gold?Helix?Photonic?Metamaterial?as?Broadband?Circular?Polarizer”,Science?325,1513(2009)；在專利申請中(“一種螺旋狀金屬線柵圓偏振器”，專利公開號：CN?101782666?A，公開日：2010.07.21；“一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器”，專利公開號：CN?101852884?A，公開日：2010.10.06；“螺旋狀金屬線柵圓偏振器”，專利公開號：CN?102073088?A，公開日：2011.05.25)，先后提出三種不同的基于螺旋狀金屬線柵的圓偏振器，所述圓偏振器可以工作在可見光～近紅外波段，具有較高的信噪比，且器件尺寸小、結構緊湊、易于集成。然而，這類基于空間三維螺旋結構的圓偏振器加工極其困難，特別是在可見和近紅外波段，已經超出了目前的技術能力，而且加工成本昂貴，難以大量生產。為了克服加工上的困難，美國德州大學奧斯汀分校的Y.Zhao等人于2012年提出利用多層相對扭轉一定角度的雙各項異性人工平面結構來實現圓偏振器(Y.Zhao?et?al,“Twisted?optical?metamaterials?for?planarized?ultrathin?broadband?circular?polarizers”,Nature?Communications?3,870(2012)),這種結構雖然可以利用平面加工工藝制作，但是需要加工多層結構，工序復雜。而且其設計的結構產生圓偏振光的消光比不高，效果并不是非常理想。

發明內容

本發明針對現有圓偏振器通常采用多層旋轉或者三維螺旋結構，加工復雜、難以實現的問題，提出一種單層平面手性金屬結構圓偏振器,該圓偏振器由單層平面結構組成，易于加工和集成，同時，該圓偏振器具有厚度薄、尺寸小、結構緊湊，對左旋和右旋圓偏振電磁波具有很好的甄別效率和較低的器件吸收損耗，透過率高的優點。

為了實現上述技術目的，本發明提出的圓偏振器由基板和位于基板上的亞波長金屬粒子陣列組成，所述基板為對工作電磁波透明的介質；該圓偏振器的特征在于：

所述金屬粒子陣列為單層平面手性結構：所謂單層，即組成金屬粒子陣列的單個金屬粒子金屬粒子由連續的金屬材料組成，且其幾何形狀可由底部二維截面沿高度方向(圖1中所示為z軸方向)拉伸獲得，頂部截面或者與底部截面形狀完全相同，或者與底部截面相似(按一定比例放大或者縮小：邊長之比在1:10到3:1之間)；所謂平面手性，是指單個金屬粒子在平行于基板的任意一個水平截面內不存在對稱線；金屬粒子之間填充有對工作電磁波透明的介質；金屬粒子陣列均勻排列，周期均小于工作電磁波的波長；金屬粒子的厚度大于λ/(5n)，其中λ為工作電磁波的波長，n為金屬粒子之間的填充材料對工作電磁波的折射率。

優選地，通過按照一定比例均勻的縮小或者放大金屬粒子的尺寸，使得圓偏振器工作在不同的電磁波段：光波、太赫茲波、微波或者其它頻段電磁波。金屬粒子的尺寸與工作電磁波的波長成近似的線性關系。例如，如果將金屬粒子的長度、寬度、厚度及排布周期均放大十倍，則工作電磁波的波長將放大約十倍。