本發(fā)明涉及光學(xué)器件領(lǐng)域，具體涉及一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)光學(xué)器件相比，超材料光學(xué)器件以其可靈活設(shè)計的器件功能、亞波長量級的有效器件厚度以及易于集成化的平面器件結(jié)構(gòu)等多方面的突出優(yōu)勢而引起了人們的廣泛關(guān)注。利用光學(xué)超材料進(jìn)行光束偏振分布變換的方案也已屢見報道。按照功能單元材料種類劃分，現(xiàn)有超材料光束偏振控制器件可以分為介質(zhì)超材料偏振控制器件與金屬超材料偏振控制器件兩類。其中，介質(zhì)超材料多利用介質(zhì)顆粒中的米共振對入射光進(jìn)行偏振調(diào)控，而金屬超材料一般利用金屬結(jié)構(gòu)中的表面等離激元共振進(jìn)行偏振調(diào)控。

基于介質(zhì)超材料的光束偏振控制器件在波長大于其吸收邊的波段條件下，其吸收損耗極低，因而器件表現(xiàn)出極高的工作效率；而在波長小于其吸收邊的波段條件下，介質(zhì)材料表現(xiàn)出強(qiáng)吸收，因而無法高效工作。如最常見的介質(zhì)超材料工作介質(zhì)硅，其工作波段被限制在1.1微米以上，在可見光波段無法實(shí)現(xiàn)高效率的偏振調(diào)控。部分利用寬禁帶介質(zhì)材料如氧化鈦的器件雖然能夠在可見光波段工作，但是其結(jié)構(gòu)高寬比太大，制備難度極大，成本極高，難以普及。

早期的金屬超材料光束偏振控制器件大多是由單層超薄金屬納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該類基于單層超薄金屬納米結(jié)構(gòu)的超材料光束偏振控制器件無法有效地抑制金屬結(jié)構(gòu)的反射與吸收，因而其效率很低。多層金屬納米結(jié)構(gòu)中可以同時產(chǎn)生電共振與磁共振，從而可以部分抑制反射與吸收，其效率相比早期單層超薄金屬納米結(jié)構(gòu)的相位調(diào)控器件有很大的提升，但是目前最高效率仍然在50％以下，而且多層金屬納米結(jié)構(gòu)的制備工藝復(fù)雜、成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件，其適應(yīng)波段寬、工作效率高、器件結(jié)構(gòu)簡單且易于制備。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件，包括：

介質(zhì)襯底；

金屬超材料層，設(shè)置于所述介質(zhì)襯底上；該金屬超材料層包括金屬顆粒周期性陣列；

介質(zhì)包覆層，設(shè)置于所述金屬超材料層上；其中，

所述金屬顆粒周期性陣列中的每個金屬顆粒至少具有一對平行的光滑平面?zhèn)缺?，用以在垂直于光滑平面?zhèn)缺诜较虻南噜徑饘兕w粒之間形成法布里珀羅諧振腔；

所述金屬超材料層包含具有一方位角的金屬顆粒周期性陣列，通過改變所述方位角調(diào)控入射光的偏振旋轉(zhuǎn)角度；或

所述金屬超材料層包含具有不同方位角的多個金屬顆粒周期性陣列，通過改變多個金屬顆粒周期性陣列的空間排布方式變換入射光的空間偏振分布。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬顆粒周期性陣列中的金屬顆粒按矩形陣列排布。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬顆粒的厚度不小于入射光在所述介質(zhì)包覆層中工作波長的三分之一，用于入射光在所述法布里珀羅諧振腔中形成法布里珀羅共振。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)所述相鄰金屬顆粒的光滑平面?zhèn)缺谥g的距離，即法布里珀羅諧振腔的腔長，用于對該光束偏振分布變換器件工作波長的選取。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬顆粒周期性陣列的方位角為30°，線偏振的入射光偏振旋轉(zhuǎn)角度為60°。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬超材料層包括：

第一金屬顆粒周期性陣列，方位角為0°，位于所述金屬超材料層第一區(qū)域，該第一區(qū)域包括呈對角分布的第一一子區(qū)域及第一二子區(qū)域；

第二金屬顆粒周期性陣列，方位角為30°，位于所述金屬超材料層第二區(qū)域，該第二區(qū)域包括呈對角分布的第二一子區(qū)域及第二二子區(qū)域；

以及第三金屬顆粒周期性陣列，方位角為-30°，位于所述金屬超材料層第三區(qū)域，該第三區(qū)域包括呈對角分布的第三一子區(qū)域及第三二子區(qū)域；

其中，所述六個子區(qū)域整體呈中心對稱分布，第一一子區(qū)域、第二一子區(qū)域、第三一子區(qū)域、第一二子區(qū)域、第二二子區(qū)域和第三二子區(qū)域依序環(huán)繞所述中心排布，從而實(shí)現(xiàn)將線偏振入射光變換為徑向偏振矢量光束。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該光束偏振分布變換器件工作波長范圍為可見光到微波波段。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述介質(zhì)襯底與介質(zhì)包覆層的材料為該光束偏振分布變換器件工作波段內(nèi)無吸收的介質(zhì)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述介質(zhì)襯底與介質(zhì)包覆層的材料為二氧化硅或三氧化二鋁。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬顆粒的材料為金、銀、銅、鋁或其組合。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件至少具有以下有益效果其中之一：

(1)相較于現(xiàn)有的金屬超材料光束偏振分布變換器件，本發(fā)明避開了高損耗的金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元共振，利用金屬顆粒周期性陣列中的高透射法布里珀羅共振及陣列方位角來實(shí)現(xiàn)對光束偏振分布的變換，提高了工作效率；

(2)本發(fā)明提供的金屬超材料光束偏振分布變換器件的金屬超材料層的厚度在亞波長量級，可與其他光學(xué)器件集成化，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的集成度，且器件結(jié)構(gòu)簡單，易于制備；

(3)通過調(diào)節(jié)相鄰金屬顆粒光滑平面?zhèn)缺谥g的距離，即法布里珀羅諧振腔的腔長，實(shí)現(xiàn)對該光束偏振分布變換器件工作波長的選取，使該光束偏振分布變換器件能夠適用于更寬的波段，而不必受介質(zhì)材料禁帶寬度的限制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝30°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

圖2b為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝0°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

圖2c為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝-30°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬顆粒周期性陣列的方位角與線偏振入射光的偏振旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。

圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例中方位角不同的金屬顆粒周期性陣列組成的將線偏入射光束變換為徑向偏振矢量光束的金屬超材料層結(jié)構(gòu)示意圖。

【符號說明】

1介質(zhì)襯底；2金屬超材料層；3介質(zhì)包覆層；

4，7方位角θ＝0°的金屬顆粒周期性陣列；

5，8方位角θ＝30°的金屬顆粒周期性陣列；

6，9方位角θ＝-30°的金屬顆粒周期性陣列。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件。圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中z坐標(biāo)方向代表器件垂直方向，x、y坐標(biāo)方向代表器件水平方向。請參照圖1，本發(fā)明提出的透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件包括：

介質(zhì)襯底1；

金屬超材料層2，設(shè)置于所述介質(zhì)襯底上，所述金屬超材料層包含周期性金屬顆粒陣列；

介質(zhì)包覆層3，設(shè)置于金屬超材料層上；

其中，金屬超材料層2的厚度在亞波長量級，可與其他光學(xué)器件集成化，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的集成度，且器件結(jié)構(gòu)簡單，易于制備。

金屬超材料層2包含的金屬顆粒周期性陣列中的金屬顆粒按矩形陣列排布，所述金屬顆粒周期性陣列中的每個金屬顆粒至少具有一對平行的光滑平面?zhèn)缺谇液穸炔恍∮谌肷涔庠谒鼋橘|(zhì)包覆層中工作波長的三分之一，用于在垂直于所述光滑平面?zhèn)缺诜较蛏系南噜徑饘兕w粒之間形成法布里珀羅諧振腔。

相較于現(xiàn)有的金屬超材料光束偏振分布變換器件，本發(fā)明避開了高損耗的金屬結(jié)構(gòu)表面等離激元共振，利用金屬顆粒周期性陣列中的高透射法布里珀羅共振及陣列方位角來實(shí)現(xiàn)對光束偏振分布的變換。入射光被所述金屬顆粒散射后耦合到法布里珀羅共振腔中形成橫向法布里珀羅共振，從而實(shí)現(xiàn)對光束偏振分布的變換，提高了工作效率。

通過改變顆粒的尺寸來調(diào)節(jié)所述法布里珀羅諧振腔的寬度，從而調(diào)節(jié)諧振腔的限制因子，進(jìn)而調(diào)節(jié)偏振方向分別平行和垂直于法布里珀羅諧振腔的透射光分量之間的相位延遲。

通過調(diào)節(jié)相鄰金屬顆粒的光滑平面?zhèn)缺谥g的距離，即法布里珀羅諧振腔的腔長，實(shí)現(xiàn)對透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件工作波長的選取，從而該器件的工作波長調(diào)諧到可見光到微波波段任意波長處，該光束偏振分布變換器件的工作波長也是入射光在介質(zhì)包覆層中的工作波長。所述金屬顆粒的材料為金、銀、銅、鋁或其組合。

所述介質(zhì)襯底與介質(zhì)包覆層用于為金屬超材料層提供支撐、保護(hù)以及外界環(huán)境與金屬顆粒之間的阻抗匹配，其材料根據(jù)金屬超材料光束偏振分布變換器件的工作波段選取，以保證在工作波段內(nèi)介質(zhì)材料無吸收，例如二氧化硅或三氧化二鋁。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一、第一實(shí)施例

本實(shí)施例中，所述金屬超材料層包含具有一方位角的金屬顆粒周期性陣列，通過改變所述方位角調(diào)控入射光的偏振旋轉(zhuǎn)角度。圖2a為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝30°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖，圖2b為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝0°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖，圖2c為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬超材料層中方位角θ＝-30°的金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)俯視示意圖，其中，金屬顆粒沿長軸方向的周期為p1，金屬顆粒沿短軸方向的周期為p2，顆粒長軸長度為1，短軸長度為w，顆粒長軸方向與圖中所示坐標(biāo)軸x軸方向夾角為金屬顆粒周期性陣列的方位角θ，方位角范圍為-90°到90°。

如圖2a、圖2b和圖2c所示，金屬超材料層中金屬顆粒的形狀為長方體，金屬顆粒長軸所在的兩個相對的平面為一對平行的光滑平面?zhèn)缺冢刂怪庇诠饣矫鎮(zhèn)缺诜较蛏?即顆粒短軸方向)相鄰金屬顆粒之間形成法布里珀羅諧振腔。線偏振的入射光被分解為平行于顆粒長軸方向的分量與垂直于顆粒長軸方向的分量。由于金屬顆粒足夠厚，即該金屬顆粒的厚度不小于入射光在介質(zhì)包覆層中工作波長的三分之一，平行于顆粒長軸方向的分量經(jīng)過顆粒間散射耦合而在所述法布里珀羅諧振腔中形成駐波，從而獲得高透射率與相位延遲。垂直于顆粒長軸方向的分量與金屬顆粒周期性陣列不產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用，因而也獲得高透射與一定的相位延遲。

通過調(diào)節(jié)顆粒長軸長度使得平行于顆粒長軸的分量與垂直于顆粒長軸的透射分量之間的相位延遲為π，因而透射光仍然為線偏振光。

對于方位角不同的金屬顆粒周期性陣列，因垂直于顆粒長軸的光分量與平行于顆粒長軸的光分量振幅不同，從而相同偏振態(tài)的入射光在透過方位角不同的金屬顆粒周期性陣列后的偏振旋轉(zhuǎn)角度不同。圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例中金屬顆粒周期性陣列的方位角與線偏振入射光偏振旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。請參照圖3，線偏振的入射光經(jīng)過方位角為30°、0°、-30°的金屬周期性陣列后，線偏振入射光的偏振旋轉(zhuǎn)角度分別為60°、0°、-60°。

二、第二實(shí)施例

本實(shí)施例中，所述金屬超材料層包含具有不同方位角的多個金屬顆粒周期性陣列，通過改變多個金屬顆粒周期性陣列的空間排布方式將線偏振的入射光束變換為徑向偏振矢量光束。

該器件的介質(zhì)襯底與介質(zhì)包覆層材料都為石英，金屬顆粒的材料為銀。金屬顆粒的尺寸為：長軸長度l＝340nm，短軸長度w＝200nm，顆粒厚度h＝360nm。金屬顆粒沿長軸方向的周期為p1＝600nm，金屬顆粒沿短軸方向的周期為p2＝620nm，該器件工作波長為1.1μm。

圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例中方位角不同的金屬顆粒周期性陣列組成的將線偏入射光束變換為徑向偏振矢量光束的金屬超材料層結(jié)構(gòu)示意圖，請參照圖4，整個金屬超材料層由6個區(qū)域構(gòu)成，分別為區(qū)域4、區(qū)域5、區(qū)域6、區(qū)域7、區(qū)域8、區(qū)域9，不同顏色區(qū)域包含具有不同方位角的金屬顆粒周期性陣列，其中：

區(qū)域4與區(qū)域7包含方位角θ＝0°金屬顆粒周期性陣列，對沿著圖中所示x坐標(biāo)軸方向入射的線偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)角為0°，對應(yīng)區(qū)域中的雙向箭頭表示透射光的偏振方向；

區(qū)域5與區(qū)域8包含方位角θ＝30°金屬顆粒周期性陣列，對沿著圖中所示x坐標(biāo)軸方向入射的線偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)角為60°，對應(yīng)區(qū)域中的雙向箭頭表示透射光的偏振方向；

區(qū)域6與區(qū)域9包含方位角θ＝-30°金屬顆粒周期性陣列，對沿著圖中所示x坐標(biāo)軸方向入射的線偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)角為-60°，對應(yīng)區(qū)域中的雙向箭頭表示透射光的偏振方向。

偏振方向沿著圖4中x軸方向的線偏振光垂直入射到器件表面后，出射光束變換為徑向偏振的矢量光束。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明一種透射式金屬超材料光束偏振分布變換器件有了清楚的認(rèn)識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。