一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，波片單元包括SiO2基片和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構，基片為正方形基片，其邊長P為800~1000nm，正交十字銀納米棒結構的高度H為100~150nm，所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W為200~300nm，正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx為550~650nm，正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly為150~170nm。本發明大大拓寬了工作帶寬，而且對于參數變化的容忍度較高，由于現在微納結構制作精度的限制，該結構合理、易于制作，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
【專利說明】
一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片
技術領域
[0001]本發明涉及一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，涉及光學元件領域。
【背景技術】
[0002]現有技術中，偏振態是光波一種非常重要的光學特性。雙折射晶體材料具有沿平行和垂直光軸的正交方向具有不同的光學折射率的特性，被寬泛的應用于傳統控制偏振態的器件中。光透過雙折射晶體時，透射光會在正交方向上產生位相差，實現偏振態的轉換。目前，新型產業的微型化發展需求高集成度的光電元器件，而傳統晶體波片受到物理尺寸的限制，促使了亞波長結構光學器件的急劇發展，其中基于表面等離子體共振的亞波長金屬結構的超表面波片得到了廣泛的重視和研究。
[0003]光學超表面即亞波長超表面，指一種厚度小于波長的人工層狀材料，可實現對電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。與傳統的波片相比，基于超表面的波片可以在超薄的平臺上增強電磁場調控光波的特性。基于超表面的波片一般利用各向異性共振單元陣列，例如納米縫，L型天線，H型天線，V天線等等...而基于這些結構的波片又常常受到窄帶的限制。
[0004]有鑒于此，提供一種新的二維金屬波片，解決現有技術中因帶寬窄，導致應用范圍過小的問題，顯然是有必要的。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的是提供一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，解決現有技術中帶寬窄的問題。
[0006]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，所述波片單元包括Si02基片和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構，
所述基片為正方形基片，其邊長P為700?900nm，
所述正交十字銀納米棒結構的高度H為50?150nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W為100?200nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx為600?7 50nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly為100?200nm。
[0007]優選地，所述基片為正方形基片，其邊長P=950nm，所述正交十字銀納米棒結構的高度 H=125nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=600nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。
[0008]優選地，所述基片為正方形基片，其邊長P=950nm，所述正交十字銀納米棒結構的高度 H=125nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=600nm，
所述正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。
[0009]優選地，所述基片為正方形基片，其邊長P=880nm，正交十字銀納米棒結構的高度H=10nm,
正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm，
正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=560nm，
正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。
[0010]優選地，所述基片形狀為正方形，其邊長P=850nm，正交十字銀納米棒結構的高度H=140nm，
正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=210nm，
正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=630nm，
正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=165nm。
[0011 ]優選地，當線偏振光入射時，其偏振角度隨波長的改變而改變，使得振幅分量Ex =Ey，而所述金屬波片的位相分布保持不變。
[0012]本發明的設計原理如下:一束線偏振光沿與四分之一波片快軸成45°的方向通過四分之一波片后，透射場沿兩正交方向位相差為Ji/2的奇數倍，且振幅Ex、Ey相等，即四分之一波片具有把線偏光轉化為圓偏振光的功能。
[0013]在波片的設計過程中，通過控制變量的方法，分別分析了各項結構參數對于超表面透射場分布的影響。金屬棒作為各向異性光學共振器，其高度H和垂直銀納米條的寬度W對位相差的調控起主要作用，并且金屬的厚度也影響著波片的透射效率，而水平納米棒的垂直寬度Ly對短波處共振的發生位置敏感。由此，在確定金屬厚度，選擇合適的結構周期之后，通過微調Lx和W來調控正交方向位相分布，獲得四分之一波片性能。
[0014]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
本發明設計了一種新型的亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，實現了近?中紅外超寬波段范圍內的透射型四分之一波片功能，與現有的波片相比較，透射電場兩正交分量在至少2500nm的超寬波長范圍內，位相差變化低于V2的2%，而不是僅僅在兩個鄰近共振峰的交叉處，大大拓寬了工作帶寬，而且本發明對于參數變化的容忍度較高，由于現在微納結構制作精度的限制，該結構合理、易于制作，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的結構示意圖。
[0016]圖2是本發明的波片單元的結構示意圖。
[0017]圖3是圖2波片單元的俯視圖。
[0018]圖4是實施例一中不同結構參數的波片單元透射光正交方向振幅和位相隨波長變化分布對比圖。
[0019]圖5是實施例一中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖。
[0020]圖6是實施例一中入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖。
[0021]圖7為在不同入射偏振角度下二維金屬波片透射率隨波長變化曲線圖。
[0022]圖8為不同入射線偏振光偏振角度下時二維金屬波片的透射光的振幅及相位隨入射波長變化分布圖。
[0023]圖9為實施例二中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖。
[0024]圖10為實施例二中入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖。
[0025]圖11為實施例三中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖。
[0026]圖12為實施例三中入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖。
[0027]其中:1、基片;2、正交十字銀納米棒結構。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
實施例一:參見圖1所示，一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，波片單元的結構示意圖參見圖2所示，所述波片單元包括Si02基片I和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構2，
參見圖3所示，為波片單元的俯視圖，基片形狀為正方形，其邊長P=950nm，正交十字銀納米棒結構的高度H=125nm，
正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm，
正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=600nm，
正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。
[0029]優選地，入射光偏振角度Θ范圍為30°~70°。
[0030]上述正交十字銀納米棒結構包括矩形結構和相對設置在矩形結構兩側的矩形突出部，矩形突出部由矩形結構的兩側向外延伸而成，上文中第一長度為矩形結構的長度，第一寬度為矩形結構的寬度，第二長度為矩形結構兩側相對的矩形突出部的最外側之間的距離，第二寬度為矩形突出部的寬度。本實施例金屬波片中同一側相鄰的矩形突出部之間的距離與波片單元的周期相等。
[0031]本實施例利用時域有限差分roTD數值計算方法進行建模仿真。FDTD方法將麥克斯韋方程組中的時域場旋度方程微分式進行差分化，得到場分量的有限差分方程，利用相同參量的空間網格去模擬電磁散射。
[0032]參見圖4所示，為不同結構參數的波片單元透射光正交方向振幅和位相隨波長變化分布對比圖。如圖4(a)，由于正交納米棒的形狀類似，參數變化不大，一般這兩個共振峰的位置彼此鄰近，在透射率曲線上表示為兩個靠近的窄而高的透射峰，只能在兩峰之間很小的一段波段實現窄帶波片功能，從圖4(b)可以看出，隨著豎直方向的長度逐漸變長，可以看出正交激發共振峰被拉開，兩峰之間出現了一段平緩的位相分布，帶寬增大。從圖4(c)中可以看出，本實施例的垂直棒的共振峰移動到遠紅外波段并且峰值高度降低，即其共振效應變弱，消除了不需要的垂直棒在近紅外的位相分散。同時縮短了水平棒的長度，在近-中紅外引入位相分散以及與垂直方向一個連續的V2的位相差，通過調節金屬的厚度，可以讓正交方向的位相曲線在兩個相距很遠的共振峰之間接近平行，這個效應直接導致了在近紅外波段的超寬波段范圍內一個平緩的位相差，即超寬帶的產生。其中振幅比的發散問題可以通過隨波長改變入射光的偏振角度，從而改變Ex =Ey的共振點來解決。
[0033]參見圖5所示，為本實施例中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖，參見圖6所示，為本實施例中入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖，從圖5、圖6中可以看出位相差在2000nm到4500nm之間的超寬波長范圍內，透射電場兩正交分量的位相差變化低于V2的2%，滿足四分之一波片必要的位相差條件。
[0034]參見圖7所示，在不同入射偏振角度下二維結構透射率隨波長變化曲線圖。因為振幅比隨著波長發散，實現圓偏振光向線偏振光的轉換時，透射波的電場偏振角是發散的。實現線偏光向圓偏光的轉換時，由于透射場正交方向電場分量振幅比的發散，需要隨波長改變入射光的偏振角度來獲得寬帶效應。即入射光偏振角度改變，Ex =Ey的點發生移動，而結構的位相分布保持不變，模擬得出需要旋轉的入射偏振角最大為70°。
[0035]參見圖8所示，為不同入射線偏振光偏振角度下時，二維金屬波片的透射光的振幅及相位隨入射波長變化分布圖。其中圖8(a)中，入射光偏振角度與X方向夾角θ=50°，該結構在2113nm處透射場正交方向電場分量Ex =Ey，位相差1.59rad，近似為π/2，可看作四分之一波片，透過率為54%;圖8(b)中，入射光偏振角度與X方向夾角θ=55°，該結構在2970nm處透射場正交方向電場分量Ex =Ey，位相差為π/2，可看作四分之一波片，透過率為46%;圖8(c)中，入射光偏振角度與X方向夾角θ=64°，該結構在3964nm處透射場正交方向電場分量Ex =Ey，位相差1.54rad，近似為π/2，可看作四分之一波片，透過率為32%;圖8(d)中，入射光偏振角度與X方向夾角θ=66°，該結構在4164nm處透射場正交方向電場分量Ex =Ey，位相差1.54rad，近似為π/2，可看作四分之一波片，透過率為21%。
[0036]綜上所述，本實施例實現了近-中紅外2000nm~4500nm波段范圍內的超寬帶透射型四分之一波片功能，其帶寬寬度至少為2500nm，在此波段范圍內，透射電場兩正交分量的位相差變化低于V2的2%，入射光偏振角度隨波長的變化而變化，有效的拓寬了透射式波片的帶寬，并且此結構對于參數變化的容忍度較高，由于現在微納結構制作精度的限制，該結構合理、易于制作，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
[0037]
實施例二: 一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，波片單元包括Si02基片和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構，
基片形狀為正方形，其邊長P=880nm，正交十字銀納米棒結構的高度H=10nm,
正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm，
正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=560nm，
正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。入射光偏振角度與X方向夾角θ=45°。
[0038]參見圖9所示，為實施例二中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖，參見圖10所示，入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖，可以看出位相差在2200nm到4800nm之間的超寬波長范圍內，透射電場兩正交分量的位相差變化低于V2的2%，滿足四分之一波片必要的位相差條件，實現了超寬帶。
[0039]
實施例三:一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，波片單元包括Si02基片和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構，
基片形狀為正方形，其邊長P=850nm，正交十字銀納米棒結構的高度H=140nm，
正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等，
正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=210nm，
正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=630nm，
正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=165nm。入射光偏振角度與X方向夾角θ=45°。
[0040]參見圖11所示，為實施例三中亞波長透射式二維金屬波片的透射光的相位及位相差隨入射波長變化分布圖，參見圖12所示，入射光偏振角度沿著X和y軸方向入射時透過率隨波長變化分布圖，可以看出位相差在2500nm到5000nm之間的超寬波長范圍內，透射電場兩正交分量的位相差變化低于V2的2%，滿足四分之一波片必要的位相差條件，實現了超寬帶。
【主權項】
1.一種亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，由若干周期性的波片單元構成，其特征在于:所述波片單元包括S12基片和位于所述基片上的正交十字銀納米棒結構， 所述基片為正方形基片，其邊長P為800?100nm， 所述正交十字銀納米棒結構的高度H為100?150nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等， 所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W為200?300nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx為550?650nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly為150?170nm。2.根據權利要求1所述的亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，其特征在于:所述基片為正方形基片，其邊長P=950nm，所述正交十字銀納米棒結構的高度H=125nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等， 所述正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=600nm， 所述正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。3.根據權利要求1所述的亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，其特征在于:所述基片為正方形基片，其邊長P=880nm，所述正交十字銀納米棒結構的高度H=10nm, 正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等， 正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=300nm， 正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=560nm， 正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=160nm。4.根據權利要求1所述的亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，其特征在于:所述基片形狀為正方形，其邊長P=850nm，所述正交十字銀納米棒結構的高度H=140nm， 正交十字銀納米棒結構的第一長度與基片的邊長長度相等， 正交十字銀納米棒結構的第一寬度W=210nm， 正交十字銀納米棒結構的第二長度Lx=630nm， 正交十字銀納米棒結構的第二寬度Ly=165nm。5.根據權利要求1所述的亞波長超寬帶透射式二維金屬波片，其特征在于:當線偏振光入射時，其偏振角度隨波長的改變而改變，使得振幅分量Ex =Ey，而所述金屬波片的位相分布保持不變。
【文檔編號】G02B5/30GK106094093SQ201610684633
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月18日 公開號201610684633.8, CN 106094093 A, CN 106094093A, CN 201610684633, CN-A-106094093, CN106094093 A, CN106094093A, CN201610684633, CN201610684633.8
【發明人】王欽華, 朱愛嬌, 胡敬佩, 趙效楠, 劉亞彬
【申請人】蘇州大學