一种超表面四分之一波片

1.本发明涉及一种光学结构，具体涉及一种四分之一波片。


背景技术：

2.偏振态作为光的基本和固有属性之一，独立于振幅、相位和频率等物理量，可以提供丰富的光和物质相互作用的信息，被广泛应用于量子信息处理和生物医学传感等众多科研领域。因此，设计出能够灵活调控偏振态的光学波片十分重要。传统的光学波片一般由双折射材料构成，通过控制两个正交偏振电场传播一定距离产生的相位延迟来调控偏振态，因此体积大且笨重，同时功能也比较单一，和光学器件小型化、集成化的发展趋势不相吻合。近年来，由亚波长尺度的结构单元构成的二维超表面可以实现对电磁波的振幅、相位及偏振态的灵活调控，充分发挥其结构超薄紧凑、集成兼容性强和功能多的优势，已成为新一代的集成光场调控平台。
3.2011年初，bozhevolnyi的团队设计了一种支持垂直电偶极子的砖形散射体，该散射体可以在中心波长770nm的反射模式下产生π/2的相位差。通过优化衬底顶部的金纳米砖的尺寸，可以支持失谐的电偶极共振，以在具有不同偏振角的lp入射光束下实现线性圆偏振转换。尽管这项工作为设计后续的波延迟器提供了一种概念性方法，但由于工作在不需要的信道，偏振转换效率受到限制，并且有效工作带宽明显较窄
1.。zhao等人设计的透射qwp，其中晶胞由超薄银(ag)层中的两个尺寸优化的正交矩形纳米狭缝形成。在600至800nm的宽带波长范围内，两个lp传输场的相位差可以保持在π/2。在616至746nm的带宽内，当用右圆偏振(rcp)和左圆偏振(lcp)光束照射qwp时，模拟的线偏振度(dolp)接近1。类似于单层波片，由于不可避免的反射损耗，这种互补qwp的转换效率有限
2.。2012年，roberts等人提出了一种在银膜中具有十字形孔径周期阵列的四分之一波片。波片的传输效率和相位(对于固定的臂宽度)对相关臂的长度敏感。从线性到圆形(ltc)偏振的转换是在可见光710到760nm的一些离散波长下实现的，银膜的厚度为140nm
3.。yang等人在2013年提出了一种由对称l形等离子体天线的周期性平面阵列组成的四分之一波片。透射光的椭圆率在1550nm处可以达到0.994。椭圆率大于0.9的带宽为80nm，其带宽并不理想
4.。2015年，通过仔细设计超级天线中的纳米天线，li等人实现了由20纳米厚的金纳米棒阵列组成的四分之一波片。理论上可以在1550nm左右实现ctl偏振的转换和逆变换。圆极化率为0.67，传输效率为0.4。超薄结构可以在宽带中实现ctl偏振，但在1550nm处ltc偏振的椭圆率(振幅比)较低
5.。song等人提出了在475至675nm的整个可见光范围内的一种全偏振产生和带宽无限偏振维持衍射平面光学的通用方法。它依赖于由独特元素组成的pb相超表面产生的正交极化的叠加，以消除结构的色散响应。通过使用rll和lrr配置，振幅控制的偏振方便性的线性叠加建立了全偏振生成
6.。
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技术实现要素：

[0010]
发明目的：针对上述现有技术，提出一种超表面四分之一波片，实现激发lsp共振的一种新方案。
[0011]
技术方案：一种超表面四分之一波片，包括：透明衬底，所述透明衬底上的纳米金属结构阵列；其中，所述纳米金属结构由空心十字形结构以及所述空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，所述空心十字形结构和所述实心椭圆结构的厚度一致。
[0012]
进一步的，所述衬底的材料为sio2，所述纳米金属结构的材料为au。
[0013]
进一步的，所述空心十字形结构为椭圆十字形，构成所述椭圆十字形的两个空心椭圆的短半径均为r，长半径分别为r1、r1，且r1≠r1，所述实心椭圆结构的长短半径相等且与所述空心椭圆的短半r一致。
[0014]
进一步的，所述空心十字形结构为矩形十字形，构成所述空心十字形结构的两个矩形的宽和长分别为a和b，以及c和d，且a≠c，b≠d，所述实心椭圆结构的短半径为r2，长半径为r2。
[0015]
进一步的，r取值范围为20～30nm，r1取值范围为97～107nm，r1取值范围为150～160nm，所述纳米金属结构阵列的周期p1取值范围为290～370nm，所述实心椭圆结构的厚度h1取值范围为8～12nm。
[0016]
进一步的，a取值范围为40～60nm，b取值范围为160～170nm，c取值范围为30～50nm，d取值范围为250～290nm，r2取值范围为15～25nm，r2取值范围为20～30nm，所述纳米金属结构阵列的周期p2取值范围为280～360nm，所述实心椭圆结构的厚度h2取值范围为8～12nm。
[0017]
有益效果：本发明提出了一种超表面四分之一波片，可用于先进的纳米光子器件和集成光子系统。对于矩形十字形空心结构可以实现在1500nm到1600nm范围内，相位差从1.52到1.61，透射比从0.88到1.26，并且在1550nm处满足相位差为1.57，透射比是1.07，恰为光纤通信窗口，并在液晶显示、传感器检测和成像方面拥有巨大的潜力。对于椭圆十字形空心结构可以实现在1672～1772nm范围内，相位差从1.53到1.60，振幅比从0.81～1.18，并且在1723nm处满足相位差为1.57，振幅比为0.99，与传统的基于lsp(局域等离激元)共振的
四分之一波片不同，该超薄结构没有尖角，因此在制造结构时可以避免效率降低。
附图说明
[0018]
图1为实施例1的超表面四分之一波片单个单元的结构示意图；
[0019]
图2为实施例1结构内部实心圆半径变化对于相位差的影响；
[0020]
图3为实施例1结构的相位差与透射比与波长关系的图像；
[0021]
图4为实施例2的超表面四分之一波片单个单元的结构示意图；
[0022]
图5为实施例2结构内部实心椭圆长短半径差值的变化对于相位差的影响；
[0023]
图6为实施例2结构的相位差与透射比与波长关系的图像；
[0024]
图7为是椭圆十字中心有无椭圆的透射比及位相差；
[0025]
图8为是矩形十字中心有无椭圆的透射比及位相差。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0027]
实施例1
[0028]
如图1所示，一种超表面四分之一波片，包括：透明衬底，透明衬底上的纳米金属结构阵列。其中，纳米金属结构由空心十字形结构以及空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，空心十字形结构和实心椭圆结构的厚度一致，金属表面是平面结构。线偏振平面波从衬底的下方入射。
[0029]
其中，衬底的材料为sio2，纳米金属结构的材料为au。空心十字形结构为椭圆十字形，构成椭圆十字形的两个空心椭圆的短半径均为r，长半径分别为r1、r1，且r1≠r1；实心椭圆结构的长短半径相等且与空心椭圆的短半r一致，即此时为au圆。
[0030]
r取值范围为20～30nm，r1取值范围为97～107nm，r1取值范围为150～160nm，纳米金属结构阵列的周期p1取值范围为290～370nm，实心椭圆结构的厚度h1取值范围为8～12nm。
[0031]
本实施例结构可以通过以下三个步骤制备得到：先将sio2衬底基板清洗干净，以真空镀膜的方式镀上一层厚度为h1的au层，再通过聚焦离子束fib刻蚀出相应的形状。
[0032]
对于传统的基于lsp共振的波片，入射光会在矩形环内部的尖角周围激发强烈的lsp共振，然而，具有尖角的纳米量级的结构在制备过程中会遇到很多问题，通常不可能完美地制备，而是将其制成圆角，这会极大地削弱lsp共振，从而使这些波片的效率大大降低。本实施例方案的结构中没有任何尖角，lsp共振可在该无尖角结构内部被激发，且性能对结构误差不太敏感。
[0033]
理想的四分之一波片要求入射光在沿着x和y轴的透射电场分量之间满足振幅比为1，相位差为π/2，这在结构中就需要沿着两个方向的分别控制。在此前已有的具有尖角的纳米结构中，可以将结构分为水平和垂直部分，可以分别调整它们以分别精确控制入射光的x和y分量的特征。然而，本实施例的无尖角纳米结构被视为一个整体，简化了设计并减少加工难度，其物理机理与具有尖角的纳米结构有很大不同。虽然透视激发表面等离子共振，但尖角结构只在尖角处激发共振，其更依赖于尖角的尖锐程度，一般越尖锐激发的共振越强，而本实施例的非尖角结构则是在整个结构内激发共振，更依赖于结构的整体特征。同
时，由于尖角结构对尖锐角的高度敏感性，因此对参数误差更为敏感，好处是便于通过调整结构参数改变工作波长，缺点是对制备中的参数误差容忍度较低，而非尖角结构则刚好与之相反。
[0034]
使用有限差分时域(fdtd)方法计算并优化所提出的结构内部的传输性能和电场。在计算过程中，将x和y边界均设置为周期性边界条件，以便可以模拟周期性结构，并在z边界将其设置为完全匹配的层条件，以确保激发光在没有反射的情况下完全吸收。
[0035]
内部实心au圆起到重要作用，研究其半径变化对于相位差的影响，如图2，可见随着实心au圆半径增大，相位差增大。
[0036]
图3为h1＝10nm，r＝25nm，r1＝97nm，r1＝156nm，p1＝330nm条件下所提出结构的相位差与透射比与波长关系的图像，该结构可以实现在1672～1772nm范围内，相位差从1.53到1.60，振幅比从0.81～1.18，并且在1723nm处满足相位差为1.57，振幅比为0.99，与传统的基于lsp共振的四分之一波片不同，该超薄结构没有尖角，因此在制造结构时可以避免效率降低。
[0037]
实施例2
[0038]
如图4所示，一种超表面四分之一波片，包括：透明衬底，透明衬底上的纳米金属结构阵列。其中，纳米金属结构由空心十字形结构以及空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，空心十字形结构和实心椭圆结构的厚度一致，金属表面是平面结构。线偏振平面波从衬底的下方入射。
[0039]
其中，衬底的材料为sio2，纳米金属结构的材料为au。空心十字形结构为矩形十字形，构成空心十字形结构的两个矩形的宽和长分别为a和b，以及c和d，且a≠c，b≠d，实心椭圆结构的短半径为r2，长半径为r2。
[0040]
a取值范围为40～60nm，b取值范围为160～170nm，c取值范围为30～50nm，d取值范围为250～290nm，r2取值范围为15～25nm，r2取值范围为20～30nm，纳米金属结构阵列的周期p2取值范围为280～360nm，实心椭圆结构的厚度h2取值范围为8～12nm。
[0041]
本实施例结构可以通过以下三个步骤制备得到：先将sio2衬底基板清洗干净，以真空镀膜的方式镀上一层厚度为h1的au层，再通过聚焦离子束fib刻蚀出相应的形状。
[0042]
本实施例具有尖角结构，强烈的lsp共振在尖角附近被激发，从而导致两个相互垂直的偏振分量的相位延迟不同。
[0043]
使用有限差分时域(fdtd)方法计算并优化所提出的结构内部的传输性能和电场。在计算过程中，将x和y边界均设置为周期性边界条件，以便可以模拟周期性结构，并在z边界将其设置为完全匹配的层条件，以确保激发光在没有反射的情况下完全吸收。
[0044]
内部实心au椭圆起到重要作用，研究其长短半径差值的变化对于相位差的影响，如图5所示，可见随着实心au椭圆长短半径差值的增大，相位差增大。
[0045]
图6为h2＝10nm，a＝50nm，b＝160nm，c＝40nm，d＝290nm，r2＝25nm，r2＝20nm，p2＝320nm条件下所提出结构的相位差与透射比与波长关系的图像，结构可以实现在1500nm到1600nm范围内，相位差从1.52到1.61，透射比从0.88到1.26，并且在1550nm处满足相位差为1.57，透射比是1.07，恰为光纤通信窗口，该四分之一波片可用于通信系统和近红外波段系统，并可与纳米级的其他光学器件集成，以实现偏振操作、检测和传感，并在液晶显示和成像方面拥有巨大的潜力。
[0046]
图7和图8分别是椭圆十字和矩形十字中心有无椭圆的透射比及位相差，其中n为没有中心椭圆结构，y为有中心椭圆结构。可以看到，在没有中心椭圆结构的情况下，相位差比中心有椭圆结构的要高，如果想获得相位差π/2，则不得不将工作波长减小，而减小工作波长又会导致透射比的变化，即不再接近1，即便通过参数的优化，也很难同时实现满足要求的透射率比和相位差。通过中心增加椭圆结构，可以在透射率比波长范围变化不大的情况下有效调整位相差，相当于多了一个参数调节维度，且这个维度相比于其他维度优势更大，因为这个维度对相位差和透射比的敏感度大为不同，更有利于根据目标波长设计结构，在统一波段同时实现π/2的相位差和1的透射比。
[0047]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种超表面四分之一波片，其特征在于，包括：透明衬底，所述透明衬底上的纳米金属结构阵列；其中，所述纳米金属结构由空心十字形结构以及所述空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，所述空心十字形结构和所述实心椭圆结构的厚度一致。2.根据权利要求1所述的超表面四分之一波片，其特征在于，所述衬底的材料为sio2，所述纳米金属结构的材料为au。3.根据权利要求1或2所述的超表面四分之一波片，其特征在于，所述空心十字形结构为椭圆十字形，构成所述椭圆十字形的两个空心椭圆的短半径均为r，长半径分别为r1、r1，且r1≠r1，所述实心椭圆结构的长短半径相等且与所述空心椭圆的短半r一致。4.根据权利要求1或2所述的超表面四分之一波片，其特征在于，所述空心十字形结构为矩形十字形，构成所述空心十字形结构的两个矩形的宽和长分别为a和b，以及c和d，且a≠c，b≠d，所述实心椭圆结构的短半径为r2，长半径为r2。5.根据权利要求3所述的超表面四分之一波片，其特征在于，r取值范围为20～30nm，r1取值范围为97～107nm，r1取值范围为150～160nm，所述纳米金属结构阵列的周期p1取值范围为290～370nm，所述实心椭圆结构的厚度h1取值范围为8～12nm。6.根据权利要求4所述的超表面四分之一波片，其特征在于，a取值范围为40～60nm，b取值范围为160～170nm，c取值范围为30～50nm，d取值范围为250～290nm，r2取值范围为15～25nm，r2取值范围为20～30nm，所述纳米金属结构阵列的周期p2取值范围为280～360nm，所述实心椭圆结构的厚度h2取值范围为8～12nm。

技术总结
本发明公开了一种超表面四分之一波片，包括透明衬底，透明衬底上的纳米金属结构阵列。其中，纳米金属结构由空心十字形结构以及空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，空心十字形结构和所述实心椭圆结构的厚度一致。本发明结构为激发LSP共振和设计波片提供了一种有效的新方法，并在液晶显示、光通信、传感器检测和成像方面拥有巨大的潜力。成像方面拥有巨大的潜力。成像方面拥有巨大的潜力。


技术研发人员：钱沁宇 刘芳汛 王钦华
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/14