基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法

摘要

本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，属于微纳光学应用技术领域。本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件为复合结构，包括纳米天线层、间隔介质层和金属基底层。纳米天线层用以对入射的线偏振光产生特定的相位和振幅调制；间隔介质层用以累积光波的相位改变；金属基底层用于反射传播至金属基底层表面上的光波，提高器件的整体转换效率；纳米天线层、间隔介质层和金属基底层整体组成光学谐振腔，能够使光学谐振腔中传播的光束产生法布里‑珀罗多光束干涉效应。本发明还公开基于所述的圆偏振转换器件实现的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换方法。本发明能够实现对出射圆偏振光的高效和宽带的调制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，属于微纳光学应用技术领域。

背景技术

偏振态是电磁波的重要属性之一。控制电磁波的偏振态，实现不同偏振态的转换，在光学传感、成像、通信、化学分析等领域都具有广泛的应用。控制电磁波的偏振态，可以通过将入射光分解为正交的两束分量之后使其达到所需的相位延迟。调制偏振态的传统方法主要基于各向异性材料，如具有双折射性质的材料，当光线不沿主轴入射时，寻常光和非寻常光之间产生不同的相位改变积累，在出射时形成相位差，从而实现偏振态的转换。通常，自然界中的双折射材料有晶体和液晶等。这类传统方法的缺点主要包括窄带宽、大尺寸以及可材料种类少，不利于光学设备的微型化和集成化。

近年来科研人员对超颖材料进行了大量的研究工作。超颖材料是一类人工设计的亚波长尺寸的结构，具有不存在于自然界材料中的新颖物理特性。多种基于超颖材料的光电功能应用已被提出和证明，例如负折射现象、超透镜和“隐形斗篷”等。各向异性超颖材料、手性超颖材料等已应用在微波至可见光波段的各类偏振转换器件中。然而，三维超颖材料存在加工工艺困难和大体积不便性，解决这类困难的一个可行途径是利用超颖表面。超颖表面由精密设计的亚波长尺寸金属或者介质单元二维阵列构成，其厚度远小于波长。通过合理的结构设计，可在其平面内逐点改变每个像素的散射场，从而控制相应的相位、振幅和偏振态，最终实现对波前的任意所需调制。

超颖表面能够拓宽工作带宽，具有较好的鲁棒性并消耗较低的加工成本，被越来越多地应用在集成纳米光子设备中。利用超颖表面对电磁波的偏振态进行调控吸引了大量科研人员的研究兴趣。通过精密设计单层或多层超颖表面的单元结构，可以获得多种偏振态的调控方案，例如：利用金属天线-介质层-金属层的结构设置，可以实现在685nm处的效率为96％的线偏振转换(Phys.Rev.Applied.80,023807,2009)；利用级联的四层金属线栅薄板，可以在波长2μm处将聚焦的光波从线偏振态转换为圆偏振态(Appl.Phys.Lett.102,231116,2013)；利用双F型金属孔单层超颖表面，可实现在太赫兹波段的宽带线偏振转换效果，其传输效率不超过40％(Opt.Lett.13,3185-8,2015)；基于金属棒结构的单层超颖表面的偏振转换器，可以在近红外波段进行宽带的线-圆偏振相互转换，效率不超过40％(Sci.Rep.5,18106,2015)；通过结合石墨烯材料，可实现在太赫兹波段宽带工作的线-圆偏振转换和线-线偏振转换，其传输效率不高于50％(Opt.Lett.23,5592-55952016)。可见，在已报道的超颖表面偏振转换器件中，在近红外波段同时具有高转换效率并且宽带工作的器件较难实现，这限制了其应用场合。

发明内容

为了解决当前基于超颖表面的偏振器件难以实现高效宽带调控的问题，本发明的目的是提供一种基于二重镜像对称结构天线的超颖表面圆偏振转换器件，还提供基于所述的圆偏振转换器件的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换方法，实现对出射圆偏振光的高效和宽带的调制。

本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件为复合结构，包括纳米天线层、间隔介质层和金属基底层。纳米天线层用以对入射的线偏振光产生特定的相位和振幅调制，由具有二重镜像对称的纳米天线排布成阵列所组成，每个纳米天线单元包括一个纳米天线，所述的纳米天线单元单元尺寸远小于波长。间隔介质层用以累积光波的相位改变，材料选用电介质。金属基底层用于反射传播至金属基底层表面上的光波，提高器件的整体转换效率。间隔介质层位于纳米天线层和金属基底层之间，纳米天线层和间隔介质层的厚度满足在亚波长范围内。纳米天线层、间隔介质层和金属基底层整体组成光学谐振腔，能够使光学谐振腔中传播的光束产生法布里-珀罗多光束干涉效应。

所述的纳米天线层设计方法为：

电磁波的偏振态可用琼斯矩阵表征，平面光学器件对光的调制用散射矩阵表征。超颖表面所在的平面为无衍射的散射阵列，其散射矩阵表示为：

其中，θ为入射角，a、b、c、d是复系数。超颖表面能够耦合切向的电场和法向的磁场，当入射光的切向的电场和法向的磁场分量相同时，对超颖表面的激发作用也是相同的。同时，在没有附加磁场的条件下，洛伦兹互易定理成立。根据矩阵分析，当超颖表面接收到正入射的光激发时，在无损的条件下，其散射矩阵中的矩阵元素满足关系：a＝d,|b|＝|c|。进一步的，针对二维非手性单元结构，通过面内的旋转操作能够与其镜像结构重合。因此，当光正入射到由非手性天线结构构成的超颖表面时，正向入射与反向入射的光将与一对镜像结构相互作用，也即是与旋转某角度前后的单元结构相互作用。通过定义散射矩阵中的非对角元，得非对角元b、c的相位项中的参数对应于散射矩阵的正向传播本征态的方位角，同时亦对应于正入射条件下非手性结构的镜像对称线的方向角。因此，将二维非手性单元构成的超颖表面进行某角度的旋转，即导致其散射矩阵本征态的相应角度的旋转。由于二维非手性单元结构的结构对称性，经旋转后可与原结构重合，也即是对应于旋转前后的散射矩阵相等。通过旋转前后散射矩阵相等的关系，解出非对角元b、c之间的相位关系，得到在正入射条件下由非手性天线结构组成的超颖表面的散射矩阵的表达式：

其中κ和是非对角元b、c的相位项中的参数。对于无损条件下的具有双折射性质的超颖表面，通过求解能量守恒约束条件下的参数关系，得到一组具体的解：进一步写出约束后的散射矩阵的表达式：

为了获得圆偏振的本征态，选择其中n为整数。代入到公式(3)中，即可获得圆偏振本征态的散射矩阵：

因此，选用具有二重镜像对称性的纳米天线，通过合适的单元周期设定，以及设置入射线偏振光的偏振方向与非手性结构的镜像对称轴夹角为45°或135°，使纳米天线层具有如公式(4)所示的散射矩阵。需要注意的是，对于偏振的调控，通常先将入射光分解为互相垂直的偏振分量，通过控制分量之间的相位差，达到最终叠加的偏振转换效果。因此，对纳米天线层的几何参数进行设定时，需要满足纳米天线层对于x和y方向的线偏振光具有不同的谐振频率，从而能够保证器件具有较宽的工作波段范围。

所述的间隔介质层设计方法为：

为了实现累积相位的效果，采用间隔介质层，间隔介质层对于电磁波是透明介质。间隔介质层厚度可调，通过调节间隔介质层厚度，能够获得不同频率范围内的偏振转换和不同旋向的圆偏振转换效果。

所述的纳米天线层优选Ω型纳米天线层。Ω型纳米天线对于x和y方向的线偏振光具有不同的谐振频率，从而能够保证器件具有较宽的工作波段范围。

所述的Ω型金纳米天线单元尺寸在亚波长范围。

所述的间隔介质层材料优选MgF₂。

所述的金属基底层材料优选金。

本发明还公开基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件实现的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换方法，入射至基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件表面的光束为将被调制的激光，经起偏器将入射光偏振方向调制为与器件表面的天线镜像对称轴成45°或135°角的线偏振光，沿着圆偏振转换器件表面的法线方向入射到器件表面上。线偏振入射光与圆偏振转换器件相互作用后，累积足够的相位改变，并具有接近于无损的反射，反射光的偏振态为圆偏振，从而实现对出射圆偏振光的高效和宽带的调制。

本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，工作波段在通信光波段内，具有较强的应用性。

有益效果：

1、本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，利用基于具有二重镜像对称性的纳米天线阵列的超颖表面，结合间隔介质层和金属基底层，提供一种在近红外波段工作的高效、宽带的对反射光偏振态进行线-圆转换的方法，能够在±45°方向线偏振态垂直入射情况下生成圆偏振态的反射光，所得反射圆偏振光具有超宽带的效果，并且具有超高的转换效率，解决当前超颖表面偏振器件难以实现高效宽带偏振调控的问题。特别地，本发明工作波段在通信光波段内，具有较强的应用性。

2、本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件是一种全固态、超薄、平面光学元器件，不需要任何机械拉伸，旋转等操作，因此，本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，可广泛适用于小型化、微型化、集成化光电应用之中，特别是激光通信系统，偏振探测系统之中，有效减轻其体积与重量，并能够为集成光学的片上应用提供一种高效和宽带的调制方法。

附图说明

图1为基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件的结构示意图；(a)三层结构示意图，(b)Ω型天线单元结构示意图；其中：1—纳米天线阵列、2—间隔介质层、3—金属基底层；

图2为二维非手性单元结构及其镜像结构示意图；

图3为偏振角为45°的线偏振光正入射到基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件的反射率图。(a)反射光x分量和y分量的振幅，(b)反射光x分量和y分量的相位；

图4为反射光斯托克斯参量。(a)偏振角为45°和-45°的线偏振光垂直入射至器件表面的反射光的斯托克斯参量，(b)偏振角为45°的线偏振光倾斜入射到基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件表面得到的反射光的斯托克斯参量，其中入射角分别为15°、30°和45°；

图5为入射光偏振角在0°～360°范围内变化时反射光的斯托克斯参量绝对值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行描述。此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

为验证本发明公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法可行性和有益效果，以下以工作波长为λ＝1.2μm～1.6μm的超颖表面为例。

如图1所示，本实施例公开的基于超颖表面的高效宽带的圆偏振转换器件为复合结构，包括Ω型纳米天线层1、间隔介质层2和金属基底层3构成。Ω型纳米天线层1用以对入射的线偏振光产生特定的相位和振幅调制，由具有二重镜像对称的Ω型纳米天线排布成阵列所组成，每个Ω型纳米天线单元包括一个Ω型纳米天线，所述的Ω型纳米天线单元单元尺寸远小于波长。间隔介质层2用以累积光波的相位改变，材料选用电介质。金属基底层3用于反射传播至金属基底层表面上的光波，提高器件的整体转换效率。间隔介质层2位于纳米天线层和金属基底层3之间，Ω型纳米天线层1和间隔介质层2的厚度满足在亚波长范围内。Ω型纳米天线层1，间隔介质层2和金属基底层3整体组成光学谐振腔，能够使光学谐振腔中传播的光束产生法布里-珀罗多光束干涉效应。

Ω型纳米天线对于x和y方向的线偏振光具有不同的谐振频率，从而能够保证器件具有较宽的工作波段范围。

所述的Ω型金纳米天线单元尺寸在亚波长范围。

所述的间隔介质层材料选MgF₂。

所述的金属基底层材料选金。

所述的纳米天线层设计方法为：

基于Ω型纳米天线阵列的超颖表面的单个单元周期中包含一个Ω型金属结构，整个阵列由多个单元周期性结构排布成平面层，如图1所示。Ω型纳米天线是二维非手性二重镜像对称结构，如图2所示，散射矩阵满足公式(3)。精密设计Ω型纳米天线的结构尺寸参数如图1所示，Ω型结构的圆环部分的外半径为100nm，两条边及开口处的长度为80nm，宽度为50nm，周期为320nm，此类结构尺寸参数能够调制近红外波段的入射光。当入射光的线偏振角为π/4或-π/4时，获得最佳的圆偏振转换效果，即满足公式(4)的散射矩阵。通过Ω型纳米天线层1的设置，获得圆偏振的透射光和反射光，并且二者旋向相反，振幅相等，但效率在理论上各为50％，仍需进行进一步设计而提高反射光的转换效率。

所述的间隔介质层设计方法为：

间隔介质层2主要用以改变入射光的累积相位差，通过设计其厚度尺寸，能够在不同频段内获得的圆偏振反射光。不同的厚度条件下，获得不同旋向的圆偏振光。这里选择厚度为50nm进行举例。

入射光与Ω型纳米天线层1相互作用，获得圆偏振的本征态透射和反射，其中透射的一部分通过间隔介质层2和金属基底层3的无限次反射和透射，自Ω型纳米天线层1出射，与前一部分反射光叠加，最终形成圆偏振态反射光。将电磁波分解为x和y方向分量时，其反射的电场分量在185THz～250THz频段(对应波长1.2μm～1.6μm)内振幅相等，相位差约为90°，即为圆偏振态，如图3所示。进一步采用斯托克斯参量表征反射光的偏振态，斯托克斯参量的计算公式如下：

如图4所示。当斯托克斯参量的S₀接近于1时，表示总光强百分比接近于100％，具有高转换效率。斯托克斯参量的S₃等于1或-1时，表示其为左旋或右旋圆偏振态。由图4可知，当入射线偏振光的偏振角为45°和-45°时，通过该器件的调制，在187THz～250THz的宽频带范围(对应波长1.2μm～1.6μm)内可获得旋向相反的圆偏振反射光，且转换效率高于92％。基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件具有一定的灵活性和可调性，当入射光倾斜入射时，能够获得椭圆偏振光或近似圆偏光，入射角的倾斜范围可达到±45°，如图4所示。反射光的偏振态和正入射时偏振角的关系如图5所示。图中纬度表示斯托克斯参量的绝对值，经度表示偏振角的大小。在正入射的情况下，入射光偏振角不等于45°时，基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件能够对其进行椭圆偏振转换。

本实施例公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件是一种全固态、超薄、平面光学元器件，不需要任何机械拉伸，旋转等操作，因此，本实施例公开的基于超颖表面的高效宽带圆偏振转换器件及方法，可广泛适用于小型化、微型化、集成化光电应用之中，特别是激光通信系统，偏振探测系统之中，有效减轻其体积与重量，并能够为集成光学的片上应用提供一种高效和宽带的调制方法。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。