基于介质超表面的窄带光偏振转换器

1.本发明涉及光电子器件领域，具体的说，涉及一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器。


背景技术：

2.偏振是光波众多属性中的一个基本参量，表征了电磁波的矢量振动方向。偏振的控制和调节在光谱技术、光学成像和无线通讯等领域具有重要应用价值。常规的光偏振器件采用各向异性的光学晶体，利用寻常光(“o”光)和非寻常光(“e”光)之间的相位差，实现光的偏振态从线偏振到圆偏振和椭圆偏振之间的转换和调控。由于光学晶体中寻常光(“o”光)和非寻常光(“e”光)之间折射率差很小，导致用于偏振控制的光学晶体厚度远大于波长，相应的偏振器件体积庞大，不适合小型化和集成化的光电器件应用需求。
3.基于亚波长微结构的超表面(metasurface)为实现微型化和高性能偏振器件提供了一种新途径。超表面具有远小于波长的物理厚度，利用其表面的微结构单元各向异性的共振模式，可以获得0到2π之间的任意相位差，从而实现光偏振态的任意调节。q.levesque和z.zhang等人先后利用超表面实现了红外光的交叉偏振转换【见文献：q.l
é
vesque,et al.,applied physics letters 104,111105(2014)和文献：z.zhang,et al.,applied physics letters 107,241904(2015)】，然而他们采用的工作原理是利用“l”形状和椭圆形状的金属棒中2个不同频率的共振模式，导致偏振转换分别出现在730nm
‑
1870nm和3.25
–
4.25μm很宽的频率范围，不具备频率选择性，限制了这些器件在窄频带场合的应用。此外，由于金属固有的欧姆损耗，这些已报道的超表面偏振器具有一定光学损耗，其偏振转换效率有待进一步提高。
4.现有基于超表面的频率转换器件一般采用图形化的纳米金属，典型结构为“金属
‑
介质
‑
金属天线”三明治结构，如图1(a)和图1(c)所示，其中下层为高反射的金属薄膜，中间为透明的介质薄膜，上层为周期性“l”形状的金属条或者椭圆形的金属棒阵列。当入射线偏振光入射到结构表面时，在两个正交的方向分别激发两个频率不同的共振模式，导致两个正交的光场分量之间产生π相位，从而导致偏振方向发生90度的偏转。其中“l”形状的金属条结构在3.4μm和4.2μm波长处具有两个共振模式，交叉偏振转换发生在3.25
–
4.25μm宽带范围，如图1(b)所示；椭圆形金属棒结构在1070nm和1700nm波长处具有两个共振模式，交叉偏振转换发生在730nm
‑
1870nm宽带范围，如图1(d)所示。
5.上述基于金属结构的超表面利用分别在两个正交的方向上的两个共振模式，实现了红外宽频带的偏振转换，其转换后的交叉反射率为～70％
‑
90％，展现了超表面在偏振控制方面良好应用价值。
6.但是，现有基于金属结构的超表面利用两个正交的方向分别激发的两个频率不同的共振模式，导致偏振转换分别出现在红外波段很宽的频率范围，不具备频率选择性，限制了这些器件在窄频带场合的应用，此外，由于金属固有的欧姆损耗，这些偏振器件具有一定光学损耗，导致偏振转换效率受限。


技术实现要素：

7.本发明提出了一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器，该器件利用介质材料的低损耗特性和同一频率处的磁偶极子和电偶极子同时共振原理，实现窄带、高效率的偏振转换性能。
8.本发明的具体技术方案如下：
9.一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器，所述窄带光偏振转换器包括氟化钙衬底，所述氟化钙衬底上层设置周期性的长方体非晶硅，所述长方体非晶硅的长、宽、高分别为5
‑
7μm、2.5
‑
4.5μm和1.5
‑
2.5μm；
10.所述窄带光偏振转换器工作时，通过所述长方体非晶硅的尺寸参数设计，在同一频率处实现分别在两个垂直方向上的电偶极子和磁偶极子的同时共振，当电偶极子共振激发时，超表面表现出完美导电体的特征，反射光的电场分量获得一个π的相位突变，而磁场分量的方向保持不变；当磁偶极子共振激发时，反射光的磁场分量会获得一个π的相位突变，而电场分量保持不变，以此实现偏振转换的功能。
11.作为优选的技术方案，所述长方体非晶硅的长度为6.6μm，宽度为3.2μm，厚度为2.0μm。
12.作为优选的技术方案，所述氟化钙衬底在x方向的周期p
x
为7.6μm。
13.作为优选的技术方案，所述氟化钙衬底在y方向的周期p
y
为9.6μm。
14.作为优选的技术方案，所述窄带光偏振转换器工作时，当入射光的偏振方向与x轴成45
°
时，入射光在11μm处同时激发磁偶极子和电偶极子共振。
15.根据本发明实施例的一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器，利用介质材料的低损耗特性和同一频率处的磁偶极子和电偶极子同时共振原理,实现窄带、高效率的偏振转换性能，具有窄带频率选择性、高反射效率和结构简单的性能优势。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
17.图1(a)示出了现有技术中的基于“l”形金属条的偏振转换器件结构图；
18.图1(b)示出了现有技术中的基于“l”形金属条的偏振转换性能图；
19.图1(c)示出了现有技术中的基于椭圆形金属棒的偏振转换器件结构图；
20.图1(d)示出了现有技术中的基于椭圆形金属棒的偏振转换性能图；
21.图2示出了根据本发明实施例提供的基于介质超表面的窄带光偏振转换器的介质超表面的单元结构图；
22.图3(a)示出了偏振沿x方向偏振正入射时的反射光谱；
23.图3(b)示出了偏振沿y方向偏振正入射时的反射光谱；
24.图4(a)示出了x方向线偏振光正入射时的在波长11.47μm处的磁场分布图；
25.图4(b)示出了x方向线偏振光正入射时的在波长11.47μm处的电场分布图；
26.图5(a)示出了y方向线偏振光正入射时的在波长11.47μm处的磁场分布图；
27.图5(b)示出了y方向线偏振光正入射时的在波长11.47μm处的电场分布图；
28.图6示出了交叉偏振转换的示意图；
29.图7示出了介质超表面的交叉偏振分量反射率r
cross
和平行分量反射率r
co
；
30.图8示出了介质超表面的交叉偏振分量反射率r
cross
和相位差δψ；
31.图9示出了介质超表面在不同尺寸参数下的交叉偏振分量反射率r
cross
；
具体实施方式
32.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
34.现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
35.图2示出了根据本发明实施例的一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器的介质超表面的单元结构图。如图2所示，本发明实施例提供了一种基于介质超表面的窄带光偏振转换器。本发明实施例利用介质材料的低损耗特性和同一频率处的磁偶极子和电偶极子同时共振原理，实现窄带、高效率的偏振转换性能。
36.具体来说，由于介质材料不存在金属材料固有的欧姆损耗，本发明采用由氟化钙衬底上周期性排列的长方体非晶硅所构成的全介质超表面，其结构如图2所示，其中衬底为氟化钙，上层为周期性的长方体非晶硅，其长、宽、高分别为b＝5
‑
7μm、a＝2.5
‑
4.5μm和h＝1.5
‑
2.5μm。
37.本发明实施例基于同一频率处的磁偶极子和电偶极子同时共振原理。通过长方体非晶硅的尺寸参数设计和优化，在同一频率处实现分别在两个垂直方向上的电偶极子和磁偶极子的同时共振。对于电偶极子共振，超表面会表现完美导电体的特征，反射光的电场分量会获得一个π的相位突变，而磁场分量的方向保持不变；相应地，当磁偶极子共振激发时，反射光的磁场分量会获得一个π的相位突变，而电场分量保持不变。因此当入射光在两个正交的偏振方向分别激发了电偶极子共振和磁偶极子共振时，射光的电场分量在两个正交的方向上存在π的相位差，从而实现偏振转换的功能。
38.示例性的，针对中红外频段的偏振转换功能，下面将详细阐述本发明的一个典型的具体实施例。
39.氟化钙衬底上周期性地排列着长方体硅块。x方向的周期p
x
为7.6μm，y方向的周期p
y
为9.6μm。长方体硅块的长度b为6.6μm，宽度a为3.2μm，厚度h为2.0μm。
40.图3为偏振分别沿x方向和y方向偏振正入射时的反射光谱。如图3(a)所示，当入射光沿x方向偏振时，反射谱在11.47μm和13.29μm两个位置存在共振峰，同时当入射光沿y方向偏振时，在11μm波长附近的位置存在一个平坦的反射峰。其中x方向偏振时在11.47μm处的磁场和电场分布由图4(a)和4(b)给出，磁场矢量h竖直地穿过硅块，而电场矢量e则是围绕着h成涡旋状分布，说明该共振模式是典型的磁偶极子共振。此外，对于y方向偏振时在11μm波长附近的平坦反射峰，其电场和磁场分布由图5(a)和5(b)给出，电场矢量e竖直地穿过
硅块并在硅块内部得到加强，而磁场矢量h围绕着e呈涡旋状分布，这是典型的电偶极子共振。
41.因此，当入射光的偏振方向与x轴成45
°
时，入射光在11μm附近同时激发上述的磁偶极子和电偶极子共振，从而使两个正交分量e
x
和e
y
产生π的相位差，进而实现偏振转换的功能，如图6所示。图7是实现的偏振转换性能的效果图，其中橙色的曲线为交叉偏振(即偏振发生转换后的分量)反射率r
cross
，而蓝色的曲线为平行分量的反射率r
co
(即偏振方向不变的分量)，可以看出在11.5μm处，交叉偏振的反射率r
cross
高达87.77％。参考图8中的e
x
和e
y
两个正交分量之间的相位差可以看出在r
cross
峰值11.5μm处的相位差为214.1
°
，接近180
°
，该相位差是导致偏振转换的物理原因。
42.在一些实施例中，本发明实施例还可以通过改变长方体非晶硅的尺寸参数，实现工作频率的调谐和偏振性能优化。作为进一步的应用案例，图9示出了介质超表面在不同尺寸参数下的交叉偏振分量反射率r
cross
当长方体硅的宽度a从2.6μm增加到3.8μm时，偏振转换的波长逐步从11μm红移到12μm，其中最优交叉偏振反射率达到了96.6％，高于现有金属超表面技术方案中的70％
‑
90％。
43.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。