[发明专利]一种单层平面手性金属结构圆偏振器

说明书

技术领域

本发明属于电磁波器件，涉及光学、太赫兹、微波和其它频段电磁波技术领域，具体涉及一种单层平面手性金属结构圆偏振器。

背景技术

圆偏振器是光学、太赫兹、微波和其它电磁波领域的一种重要的偏振元器件，它在光学显微、三维显示、激光技术、通信、雷达等领域都有着重要的应用。目前，在光学领域，通常利用线偏振器和四分之一波片两个分立元器件构成圆偏振器。这种结构最大的不足是使用了两个分离的光学元件，因此器件尺寸大，不利于集成。同时，受四分之一波片工作波长范围的限制，这种器件通常工作波长范围较窄。类似的结构也可以用于太赫兹波段。但受到材料等的限制，在太赫兹领域，有效的圆偏振器目前还比较匮乏。在微波和其它电磁波波长相对较长的电磁波领域，人们同样希望能够获得集成、结构简单、易于制作的圆偏振器。

利用单一集成结构器件实现圆偏振器具有重要的意义。在以往的研究与发明中，人们通常利用三维手性结构，如多层旋转或者三维螺旋结构来实现这样的器件：2009年9月，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员提出了一种基于螺旋状金属线栅的圆偏振器(Justyna K.Gansel et al，“Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer”,Science 325,1513(2009)；在专利申请中(“一种螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 101782666 A，公开日：2010.07.21；“一种双螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 101852884 A，公开日：2010.10.06；“螺旋状金属线栅圆偏振器”，专利公开号：CN 102073088 A，公开日：2011.05.25)，先后提出三种不同的基于螺旋状金属线栅的圆偏振器，所述圆偏振器可以工作在可见光～近红外波段，具有较高的信噪比，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。然而，这类基于空间三维螺旋结构的圆偏振器加工极其困难，特别是在可见和近红外波段，已经超出了目前的技术能力，而且加工成本昂贵，难以大量生产。为了克服加工上的困难，美国德州大学奥斯汀分校的Y.Zhao等人于2012年提出利用多层相对扭转一定角度的双各项异性人工平面结构来实现圆偏振器(Y.Zhao et al,“Twisted optical metamaterials for planarized ultrathin broadband circular polarizers”,Nature Communications 3,870(2012)),这种结构虽然可以利用平面加工工艺制作，但是需要加工多层结构，工序复杂。而且其设计的结构产生圆偏振光的消光比不高，效果并不是非常理想。

发明内容

本发明针对现有圆偏振器通常采用多层旋转或者三维螺旋结构，加工复杂、难以实现的问题，提出一种单层平面手性金属结构圆偏振器,该圆偏振器由单层平面结构组成，易于加工和集成，同时，该圆偏振器具有厚度薄、尺寸小、结构紧凑，对左旋和右旋圆偏振电磁波具有很好的甄别效率和较低的器件吸收损耗，透过率高的优点。

为了实现上述技术目的，本发明提出的圆偏振器由基板和位于基板上的亚波长金属粒子阵列组成，所述基板为对工作电磁波透明的介质；该圆偏振器的特征在于：

所述金属粒子阵列为单层平面手性结构：所谓单层，即组成金属粒子阵列的单个金属粒子金属粒子由连续的金属材料组成，且其几何形状可由底部二维截面沿高度方向(图1中所示为z轴方向)拉伸获得，顶部截面或者与底部截面形状完全相同，或者与底部截面相似(按一定比例放大或者缩小：边长之比在1:10到3:1之间)；所谓平面手性，是指单个金属粒子在平行于基板的任意一个水平截面内不存在对称线；金属粒子之间填充有对工作电磁波透明的介质；金属粒子阵列均匀排列，周期均小于工作电磁波的波长；金属粒子的厚度大于λ/(5n)，其中λ为工作电磁波的波长，n为金属粒子之间的填充材料对工作电磁波的折射率。

优选地，通过按照一定比例均匀的缩小或者放大金属粒子的尺寸，使得圆偏振器工作在不同的电磁波段：光波、太赫兹波、微波或者其它频段电磁波。金属粒子的尺寸与工作电磁波的波长成近似的线性关系。例如，如果将金属粒子的长度、宽度、厚度及排布周期均放大十倍，则工作电磁波的波长将放大约十倍。