本發(fā)明涉及光學(xué)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬超材料波片。

背景技術(shù)：

偏振是電磁波的一項(xiàng)基本性質(zhì)。偏振態(tài)所攜帶的信息在信號傳輸與傳感測量方面都有著重要的價(jià)值。涉及偏振控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了我們的日常生活和前言科學(xué)的方方面面。波片是最常見的偏振調(diào)控器件，其可以實(shí)現(xiàn)線偏光與圓偏光、橢偏光之間的相互轉(zhuǎn)化以及線偏光偏振方向的旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的波片大多由具有雙折射特性的光學(xué)晶體制備而來，其利用雙折射晶體對不同偏振方向光分量折射率不同的特性在相互正交的透射光之間產(chǎn)生需要的相位差，從而實(shí)現(xiàn)對偏振態(tài)的調(diào)控。由于自然晶體的光學(xué)活性較弱，傳統(tǒng)波片不便于光學(xué)集成。

新興的超材料波片以其亞波長量級的有效器件厚度、可靈活設(shè)計(jì)的工作波段與工作帶寬而引起了人們的廣泛關(guān)注。其中，基于介質(zhì)超材料的波片可實(shí)現(xiàn)超寬的工作帶寬與接近于100％的工作效率。但是絕大多數(shù)介質(zhì)超材料波片都是以硅為工作介質(zhì)，因受限于硅的禁帶寬度，該類波片在300太赫茲以上的波段無法保持高效率工作。部分利用寬禁帶介質(zhì)材料如氧化鈦的器件雖然能夠適應(yīng)更寬波段，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。基于金屬超材料的波片可以通過材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來靈活地調(diào)節(jié)器件的工作波段，但是該類波片利用金屬材料的表面等離激元共振，因而損耗會比較高。同時(shí)，利用厚度小于波長的單層金屬納米結(jié)構(gòu)的波片無法有效地控制反射損耗，因而光波段的金屬超材料波片的效率普遍較低。而利用多層金屬超材料之間的耦合來同時(shí)產(chǎn)生電共振與磁共振以形成惠更斯超表面可以提高金屬超材料波片的效率，但是目前金屬超材料惠更斯超表面的效率仍然在50％以下，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于制備。

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)明提供了一種金屬超材料波片，具備了轉(zhuǎn)換效率高、工作波段寬、易于集成化、易于制備的特點(diǎn)。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種金屬超材料波片，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，用于提供阻抗匹配；

其中，所述金屬顆粒周期性陣列中的金屬顆粒按矩形陣列排布；所述金屬顆粒周期性陣列中的每個(gè)金屬顆粒至少包含一對平行的光滑平面?zhèn)缺?，用于在垂直于光滑平面?zhèn)缺诜较虻南噜徑饘兕w粒之間形成法布里珀羅諧振腔。

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。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，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。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過改變所述金屬顆粒的尺寸來調(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。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬超材料波片為四分之一波片或半波片。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，金屬顆粒的形狀為長方體，通過改變金屬顆粒的長軸長度來調(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。

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，實(shí)現(xiàn)對該金屬超材料波片工作波長的選取。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬超材料波片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)包覆層的材料為該波片工作波段內(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。

所述金屬顆粒的材料為金、銀、銅或鋁。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明一種金屬超材料波片至少具有以下有益效果其中之一：

(1)相較于現(xiàn)有的金屬超材料波片，本發(fā)明利用高透射率的法布里珀羅共振來調(diào)節(jié)透射光產(chǎn)生的相位延遲，降低了波片的反射與吸收損耗，從而提高了波片的轉(zhuǎn)換效率；

(2)相較于傳統(tǒng)的基于光學(xué)晶體的波片，本發(fā)明提供的金屬超材料波片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，且該波片器件結(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)對該波片工作波長的選取，進(jìn)而使本發(fā)明提供的金屬超材料波片適用于更寬的波段范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種金屬超材料波片的剖面結(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。

圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種金屬超材料波片中金屬超材料層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例中偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向入射光分量的透射率隨入射光波長的變化曲線。

圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例中偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向的透射光分量之間的相位差隨入射光波長的變化曲線。

圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例中偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向入射光分量的透射率隨入射光波長的變化曲線。

圖6為本發(fā)明第二實(shí)施例中偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向的透射光分量之間的相位差隨入射光波長的變化曲線。

【主要元件】

1介質(zhì)襯底；2金屬超材料層；3介質(zhì)包覆層。

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(jì)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)明提供了一種金屬超材料波片。圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種金屬超材料波片的剖面示意圖。請參照圖1，金屬超材料波片包括：

介質(zhì)襯底1；

金屬超材料層2，設(shè)置于所述介質(zhì)襯底1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3，設(shè)置于所述金屬超材料層2上，用于提供阻抗匹配；

其中，所述金屬超材料層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，且該波片器件結(jié)構(gòu)簡單，易于制備；

所述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(gè)金屬顆粒至少包含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。

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。

通過改變金屬顆粒的尺寸來調(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)控透射光產(chǎn)生的相位延遲。相較于現(xiàn)有的金屬超材料波片，本發(fā)明利用高透射率的法布里珀羅共振來調(diào)節(jié)透射光產(chǎn)生的相位延遲，降低了波片的反射與吸收損耗，從而提高了波片的轉(zhuǎn)換效率；

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)對該波片工作波長的選取，從而將金屬超材料波片的工作波長調(diào)諧到可見光到微波波段任意波長處，該波片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、銅或鋁。

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)波片的工作波段選取，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。

下面結(jié)合圖2詳細(xì)介紹金屬超材料波片。圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例中一種金屬超材料波片中金屬超材料層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。請參照圖2，金屬顆粒的形狀為長方體，金屬顆粒長軸沿x坐標(biāo)軸方向，長度為1；短軸沿y坐標(biāo)軸方向，長度為w；金屬顆粒在z軸方向的厚度為h；顆粒沿x軸方向周期為px；顆粒沿y軸方向周期為py。

金屬顆粒長軸所在的兩個(gè)相對的平面為一對平行的光滑平面?zhèn)缺?，沿著y坐標(biāo)軸方向(即顆粒短軸方向)相鄰金屬顆粒之間會形成法布里珀羅諧振腔。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，偏振沿x軸方向的入射光分量可以通過散射耦合到法布里珀羅諧振腔中形成駐波，并高效率地透射，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)附加相位延遲。而偏振沿y軸方向的入射光分量與金屬超材料層無強(qiáng)相互作用，也可以高效率地穿透金屬超材料層，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較小的固定附加相位延遲。通過調(diào)節(jié)金屬顆粒長軸長度可以調(diào)節(jié)偏振沿著x軸方向的透射光分量相位延遲的大小，從而調(diào)節(jié)偏振沿x軸方向與y軸方向的兩個(gè)透射光分量之間的相位延遲。通過對金屬顆粒周期性陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)可以在可見光到微波波段范圍內(nèi)得到90°與180°的相位差，從而實(shí)現(xiàn)四分之一波片和半波片的功能。

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種金屬超材料波片作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

一、第一實(shí)施例

本實(shí)施例中的這種金屬超材料波片為半波片，可以將入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，其工作波長為1.1um，透射效率在80％以上。該半波片的介質(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，高度h＝360nm。金屬顆粒周期沿x軸方向周期為px＝600nm，沿y軸方向周期為py＝620nm。

入射光偏振方向與長軸呈45度夾角并垂直入射到波片上，則偏振方向平行于長軸方向與短軸方向的入射光分量強(qiáng)度相同。圖3為偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向入射光分量的透射率隨入射光的變化曲線，其中tx表示偏振沿著x軸方向的入射光分量的透射率，ty表示偏振沿著y軸方向的入射光分量的透射率。請參照圖3，在工作波長1.1um處兩偏振分量的透射率相同。圖4為偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向的透射光分量之間的相位差隨入射光波長的變化曲線。請參照圖4，在工作波長1.1um處偏振方向沿著x軸的透射分量與偏振沿著y軸方向的透射分量的相位差為π。因此，透射光偏振方向相對于入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90度，該器件實(shí)現(xiàn)了半波片的功能，且其效率在80％以上。

二、第二實(shí)施例

本實(shí)施例中的金屬超材料波片為四分之一波片，可以實(shí)現(xiàn)線偏光與圓偏光的相互轉(zhuǎn)換。該波片工作波長為1.1um，透射效率在80％以上。該四分之一波片的介質(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＝270nm，短軸長度w＝200nm，高度h＝360nm。金屬顆粒周期陣列的周期為：沿x軸方向周期為px＝600nm，沿y軸方向周期為py＝620nm。

入射光偏振方向與金屬顆粒長軸呈45度夾角并垂直入射到波片上，則偏振方向平行于長軸方向與偏振方向平行于短軸方向的入射光分量強(qiáng)度相同。圖5為偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向入射光分量的透射率隨入射光波長的變化曲線，其中tx表示偏振沿著x軸方向的入射光分量的透射率，ty表示偏振沿著y軸方向的入射光分量的透射率。請參照圖5，在工作波長1.1um處兩偏振分量的透射率基本相同。圖6為偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向的透射光分量之間的相位差隨入射光波長的變化曲線。請參照圖6，在工作波長1.1um處，偏振方向沿著x軸的透射分量與偏振沿著y軸方向的透射分量的相位差為π/2。因而，偏振沿x軸方向的透射光分量與偏振沿y軸方向的透射光分量有相同的振幅，且相對相位延遲為π/2，線偏振的入射光通過該波片后轉(zhuǎn)換為圓偏振光，即該器件實(shí)現(xiàn)了四分之一波片的功能，且其效率在80％以上。與第一實(shí)施例中的半波片相比，本實(shí)施例中四分之一波片的區(qū)別在于減小了金屬顆粒的長軸長度。由于金屬顆粒的長軸長度與法布里珀羅諧振腔的腔寬成正比，金屬顆粒長軸長度的減小降低了諧振腔的限制因子，使得偏振沿x軸方向與偏振沿y軸方向的透射光分量之間的相位延遲減小。

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)明一種金屬超材料波片有了清楚的認(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)行更改或替換，例如：

(1)具體實(shí)施例中金屬顆粒的形狀為長方體，所述金屬顆粒也可以為其他形狀，但需具有一對平行的光滑平面?zhèn)缺?，不影響本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)；

(2)所述金屬顆粒陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以隨相應(yīng)工作條件而改變，不影響本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)；

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(jì)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。

綜上所述，本發(fā)明一種金屬超材料波片，通過金屬顆粒周期性陣列中的橫向法布里珀羅共振實(shí)現(xiàn)了對透射光相位延遲的調(diào)控，具備了轉(zhuǎn)換效率高、工作波段寬的特點(diǎn)，從而可以廣泛應(yīng)用于傳感、通信等諸多領(lǐng)域。

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)。