[發明專利]漸變螺旋金屬手性超材料圓偏振器

有效

• 申請號: 201510607566.5
• 申請日: 2015-09-22
• 公開（公告）號: CN105137520B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 王少偉;冀若楠;劉星星;陸衛;陳效雙
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及一種圓偏振器，具體涉及一種漸變螺旋金屬手性超材料圓偏振器。

背景技術

圓偏振器是偏振光學領域的一種重要的光學元器件，在偏振分光、偏振成像、彩色顯示和激光技術等領域有著重要的應用。目前，利用線偏振器與四分之一波片是最常見的實現和調控圓偏振光方法。但這樣的器件在使用時必須對經過線偏振器的輸入輸出光進行匯聚和準直，同時要保證線偏振器和四分之一波片相互連接時的精確對準；系統是由分立器件組成，不僅使整個系統損耗大大增加，而且系統的不穩定性也大大增加，體積大，集成困難；四分之一波片工作波長范圍較窄，無法獲得寬波長范圍的圓偏振光。

利用膽甾液晶的電控雙折射特性以及螺旋狀光纖的手性結構也可以獲得及調控圓偏振光，但受膽甾液晶材料和螺旋狀光纖自身性能的限制，這兩種圓偏振器的工作范圍也都較窄，而且要想獲得較高消光比需要增多螺旋周期數，導致器件體積較大，難以集成，極大地限制了其應用。

2009年9月，德國卡爾斯魯厄大學的研究人員首先提出采用金螺旋手性超材料獲得寬波段的圓偏振光，工作范圍在3.5μm-6.5μm，消光比大約為10，見Justyna K.Gansel et.al.Circle Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,Science 325,1513(2009)。他們制備的方法是首先采用激光束直寫技術對光刻膠進行陽刻，隨后通過電化學沉積的方法，把金均勻沉積在螺旋狀空氣隙內，隨后完全移除光刻膠從而獲得單螺旋狀的金屬線柵。與傳統方法相比，采用這種螺旋結構工作波段寬，但消光比仍較低，難以用于實際應用。在此基礎上，華中科技大學楊振宇等提出工作在可見-近紅外波段的鋁單螺旋圓偏振器以及多螺旋金屬線柵圓偏振器(中國發明專利公開號：101782666A，102073088A，101852884A)，工作波長范圍可以達到0.49-1.37μm，消光比可以達到270以上。但他們提出的結構消光比仍較低，而且多螺旋圓偏振器相較于單螺旋圓偏振器制備工藝上更加復雜，因此極大限制了它的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提出一種漸變螺旋金屬手性超材料圓偏振器，解決傳統圓偏振器工作波長范圍窄，消光比低，難以集成的問題。

本發明的漸變螺旋金屬手性超材料圓偏振器，其結構為：在襯底1正面沉積有N個周期性排布的螺旋線陣列2，其特征在于：

所述的襯底1的材料為熔融石英玻璃或K9玻璃或ZK6玻璃或BAK玻璃或光學玻璃或寶石片或硅片或鍺片或FR板或泡沫塑料；

所述的螺旋線陣列2中單個螺旋金屬線由旋向相同的兩部分螺旋線相連而成，分別為螺旋線半徑自上而下依次變大的上層漸變半徑部分21和下層螺旋線半徑相同的下層等徑部分22；螺旋線陣列2的單元尺寸為：螺旋線橫向周期p＝n×(900～1000)nm，螺旋螺距SH＝n×922.5nm，螺旋周期數4≤NH≤10，上、下層部分螺旋線的螺旋周期數均為NH/2，上層部分螺旋線最小螺旋直徑DH_min＝n×(90～100)nm，最大螺旋直徑DH_max＝n×(720～800)nm，下層部分螺旋線螺旋直徑DH＝n×720nm，螺旋線直徑均為DW＝n×(67.5～75)nm，其中n不限于整數，取值范圍為1≤n≤200000。所述的螺旋線材料為具有表面等離子體共振特性的Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr。

本發明的漸變螺旋金屬手性超材料圓偏振器的基本原理是：對于螺旋結構，只有當入射電磁波的極化方向與螺旋的旋向匹配時(例如左旋圓偏振光與左旋螺旋)，才會在螺旋線上產生較強的感應電流，且電流以駐波的形式在螺旋線中傳輸，入射光被螺旋線“接收”而不能透過；反之，當極化方向不匹配的圓偏振光入射時，螺旋線上產生的電流則非常微弱，幾乎可以忽略不計，大部分入射光都可以透過器件。這樣通過調整螺旋結構的旋向，螺旋手性金屬超材料圓偏振器就實現了對左右旋圓偏振光的選擇性透過。采用漸變螺旋結構，相較于等徑螺旋結構可以更有效耦合入射光，提高極化方向不匹配的入射光的透過率；而對于極化方向匹配的入射光，由于螺旋半徑不同可以實現局域化共振從而有效提高對其透過的抑制效果。結構尺寸增大，則對應共振波長紅移，工作波段也隨之紅移。螺旋縱向周期數增大，則對旋向匹配入射光的透過抑制作用越強，消光比越高。

本發明的優點是：