[发明专利]基于共振原理的纳米薄膜半波片

说明书

技术领域

本发明涉及一种光波偏振完全转换的半波片器件，尤其适用于微纳光电子集成领域。

背景技术

偏振是光波的基本属性，对光偏振的操控或利用在科学研究(例如用于物质结构的应力分析)、信息工业(例如用于通讯及各种液晶显示器)、交通运输(例如用于遮避刺眼强光)和国防建设(例如军事侦查)等方面有着广泛的应用。半波片是用来实现光的偏振态完全转换的一种器件，在光通信、光传感、光隔离等领域中具有非常重要的地位。作为一种重要的光学器件，半波片的相关理论已被广泛研究。

根据半波片的实现方法，常见的半波片分为晶体波片型、光纤型，光电晶体型和液晶型四大类。光纤型、光电晶体型和液晶型半波片都需要外部调制信号(应力或电压)，这导致它们的应用受到了限制。晶体波片型半波片应用最为广泛，其组成材料为各向异性晶体，原理是基于光在这些晶体中传播的双折射效应。假设线偏振光垂直入射到该类晶体，其电场方向与晶片光轴夹角为θ，入射电场分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量，它们分别对应晶片中的o光和e光。晶片中的o光和e光沿同一方向传播，但由于折射率的不同，穿出晶片后两种光间产生的光程差为(no-ne)·d，d为晶片厚度，no和ne分别为o光和e光的折射率，两电场分量的相位差为在出射面，由于附加相位差的引入，出射光的偏振会发生变化，当相位差等于180度时，就能实现偏振的完全变换(即半波片)。因为一般晶体的no-ne在的10^-3量级，所以在光波段，要实现半波片功能，半波片的厚度至少在毫米量级。

所以，传统晶体波片型半波片作为一种重要的光学器件，受物理尺寸的限制，难以满足微纳光电子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微纳光电子集成的半波片显得非常迫切。

发明内容

为了克服传统半波片的缺点，本发明将提出基于共振原理的纳米薄膜半波片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

光波共振时，各处的电场同步振动，这时候不管是反射还是透射对应的附加相位都为零，自然与厚度d无关。光波共振的结构很多，比如FP腔、光子晶体微腔、局域等离激元金属微结构和光学天线等，共振结构的尺寸决定了半波片结构的尺寸。由于局域等离激元金属微结构的尺寸在纳米量级，所以很自然地能得到基于金属微结构的纳米尺度半波片。根据此方案(原理)可以设计各种各样的共振结构，同时，既可以设计出透射型半波片也可以设计出反射型半波片。本实施例以反射型为例，并选取二维周期排列、正交耦合的劈穴谐振子阵列作为一般性代表(其它共振结构也是本发明专利权利要求保护的内容)来说明基本方案。在厚度为180纳米的单层金质薄膜上刻蚀由三个成90度相连的圆形孔为组元的周期结构，孔直径为460纳米，深度为150纳米(反射结构)，组元内相邻孔中心间距650纳米，相连部分宽度为150纳米，组元间距即周期为1300纳米。在这样设计的在非扩展结构中，存在局域等离激元共振，并且支持对称和反对称两种模式(以沿三个圆形孔的对称方向为轴)。与对称模式共振频率相等的线偏振光垂直入射到此结构，其电场与光轴(沿三个圆形孔的对称方向)夹角为θ，入射光的电场分解成垂直于光轴(类似o光)和平行于光轴(类似e光)两个分量，由于对称性的关系，o光不能激励对称局域等离激元共振模式，被金薄膜正常反射，附加相位为180度；而e光能激励对称局域等离激元共振模式，每个组元的局域离激元共振等效于一个辐射源，所有这些辐射源在远场又叠加成e光，所以相当于e光被共振反射，附加相位差为0度。由于o光和e光附加相位差的引入，反射光的偏振会发生变化，理想情况下其方向与入射光偏振夹角2θ，如果θ＝45°，则此结构可以实现偏振的完全变换，即此结构可以看作是一个半波片。

本发明的有益效果是：

(1)提出基于常规反射与共振反射叠加控制光波偏振的基本物理思想。此原理可以扩展到除金属局域等离激元共振结构以外的其他类型的共振结构，如光子晶体和光栅共振结构等；并且也可以扩展到透射情况，如光学天线共振结构等，即利用普通行波传播透射与共振透射叠加控制光波偏振。

(2)基于基本物理思想，通过改变形状结构，可以设计出当前工艺水平易于制造的纳米薄膜半波片。如本例，单层金属薄膜的微纳结构，此结构加工工序少，制作简单，易于实际应用。

(3)满足了微纳光电子集成的要求，推动了光电集成的进一步发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是阵列结构整体布局图(3×3)。

图2是单个阵列胞元立体视图。

图3是单个阵列胞元平面侧视图。