[發(fā)明專利]一種超表面偏振調(diào)控器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610019751.7
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN105511117B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝加明;李虎;李志偉;許昊;俞偉偉;楊名;戴寧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種超表面偏振調(diào)控器件。該器件由五層結(jié)構(gòu)組成，頂層和底層為周期金屬微結(jié)構(gòu)層，中間層為金屬薄膜層，頂層、底層與中間金屬層由絕緣介質(zhì)層隔開。器件工作在近紅外波段，體系的整體厚度遠小于工作波長；對于正入射的電磁波，透射率超過80％；通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和相關(guān)材料的物理性質(zhì)，兩個不同分量(x分量和y分量)透射波之間的相位差可覆蓋0度到360度整個相位區(qū)間，從而可實現(xiàn)對電磁波偏振態(tài)的自由調(diào)控，如線偏振入射的電磁波其透射偏振態(tài)可轉(zhuǎn)化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，甚至完全偏振反轉(zhuǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超表面偏振調(diào)控器件。

背景技術(shù)

橫波性(偏振性)作為光的基本特征之一，在極大的程度上影響和決定了光的性質(zhì)及其在各方面的應(yīng)用。為了探測光波的偏振態(tài)，我們常常需要借助于“光偏振器件”來判定它們的偏振類別。在各種光學(xué)儀器中，為了獲得所需的偏振態(tài)，我們還經(jīng)常需要實現(xiàn)不同偏振狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。用來檢測、選擇或轉(zhuǎn)化光波/電磁波偏振態(tài)的偏振器件應(yīng)用需求越來越廣，對器件性能的要求也越來越高，不但要求器件具有很高的效率，而且期許其向小型、微型化發(fā)展，以便于集成于現(xiàn)代各種復(fù)雜的光電子設(shè)備中。傳統(tǒng)的調(diào)控光波偏振狀態(tài)的方法包括利用光柵、雙色材料，或是利用布魯斯特現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象等。這些方法各有特點，但一個共同的缺點是這些體系都不是全反射(或全透射)的，因而在應(yīng)用的過程中總有一定信號損失的問題。而且傳統(tǒng)方法由于受到常規(guī)自然材料本身物理性質(zhì)的限制，通常只能工作在一定的較窄的波段范圍，工作波長發(fā)生了變化，就得尋找新的材料，乃至調(diào)控方法也要發(fā)生改變。

隨著超材料(Metamaterial)，尤其是超表面(Metasurface)的出現(xiàn)，人們操控電磁波/光波行為的方法進一步多樣化。超材料是指一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其特性主要取決于其構(gòu)成的亞波長人工結(jié)構(gòu)子單元。通過調(diào)節(jié)子單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和排列的周期序，人們可以設(shè)計和調(diào)控超材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。而超表面則是指一種準二維平面化的超材料結(jié)構(gòu)，通過對微結(jié)構(gòu)的設(shè)計，它一般不但具有三維體超材料所具有的超強電磁波調(diào)控能力，與其相比，它還具有體積小、損耗低、易于片上集成等諸多優(yōu)點，近來已引起了人們的廣泛關(guān)注。本發(fā)明正是一種基于超表面的偏振調(diào)控器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供了一種可以實現(xiàn)對光波偏振態(tài)自由調(diào)控的超表面偏振調(diào)控器。

本發(fā)明旨在利用超表面的理念設(shè)計制作一種超薄光波偏振調(diào)控器。在近紅外波段(0.8μm～2.5μm)，其透射率可高達80％以上，且透射波的偏振模式可以根據(jù)需求任意調(diào)控。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：

所述的超表面偏振調(diào)控器件由五層結(jié)構(gòu)組成，器件的頂層和底層為金屬微結(jié)構(gòu)層3，中間層為金屬薄膜層1，頂層、底層與中間層之間由絕緣介質(zhì)層2隔開；頂層和底層的金屬微結(jié)構(gòu)層3對于x軸和y軸具有周期性，對于x軸、y軸和z軸具有軸對稱性，頂層和底層的金屬微結(jié)構(gòu)層3在x方向和y方向幾何尺度不同，整體呈現(xiàn)各向異性；對于x和y偏振入射電磁波，其在這兩個方向的透射波會有相位差；通過調(diào)節(jié)金屬微結(jié)構(gòu)層3的幾何參數(shù)，其x和y偏振的透射波的相位差可覆蓋0度到360度整個相位區(qū)間；對于線偏振態(tài)的入射波，其透射波偏振態(tài)可被轉(zhuǎn)化為圓偏振，橢圓偏振，或線偏振，乃至完全偏振反轉(zhuǎn)；對于圓偏振態(tài)的入射波，其透射波偏振態(tài)可被轉(zhuǎn)化為線偏振，橢圓偏振，或左旋與右旋圓偏振之間的相互轉(zhuǎn)化；

所述的金屬微結(jié)構(gòu)層3的厚度為40-65nm，材料為金、銀或鋁；

所述的金屬薄膜層1的厚度為15-25nm，材料為金、銀或鋁；

所述的絕緣介質(zhì)層2的材料為氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或硫化鋅，材料為氧化鋁時的厚度為10-35nm。

在所述的超表面偏振調(diào)控器件結(jié)構(gòu)表面加蓋一層防止表面金屬微結(jié)構(gòu)氧化的超薄介質(zhì)層，超薄介質(zhì)層的材料為氟化鎂，二氧化硅，氧化鋁或硫化鋅。