[发明专利]太赫兹超表面磁光克尔偏振转换器

说明书

本发明公开了一种太赫兹超表面磁光克尔偏振转换器。通过在YIG铁氧体的两侧贴附金属反射背板和方框形金属超表面结构，构成法珀微腔结构，使入射的太赫兹波在腔内产生共振，大幅增强了YIG铁氧体(1)的磁光克尔效应，与没有金属超表面的结构相比，增大了太赫兹波的旋光角度和偏振转换率。该器件将原线偏光的偏振态旋转一定角度，当磁化强度达到4000Gs时，实现正交线偏振转换的功能，表现出明显的高Q值、高透过率的频率谱，最高透过率与偏振转换率＞80％、Q值＞70。

技术领域

本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种高Q值、高透过率、高偏振度的反射式太赫兹线偏振态转换器件。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率范围处于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波，由于其具有一系列优异的特殊性质而在无线通信、雷达、无损检测、医学成像和安检防恐等领域具有非常广泛的应用前景。THz功能器件，如调制器、滤波器、吸收器、偏振器和隔离器等，是THz应用系统必不可少的组成单元。磁光材料因独特的法拉第旋光效应、磁光克尔效应等在THz功能器件的开发方面得到了诸多使用，常见的磁光材料包括InSb、YIG铁氧体、HgTe等。利用其在磁场下形成各向异性的介电函数或磁导率成为非互易媒质的特点，有使用InSb构成一种太赫兹隔离器实现非互易传输的功能[Optics Letters，2018，43(4)：687]，也出现了由磁光材料形成光子晶体制作的太赫兹环形器实现定向传输[OpticsCommunications，2012，285(18)：3763]，磁光器件大都可以通过偏置磁场的大小进行光的调制，虽然现阶段已取得了一些研究进展，然而性能优良而又加工简单的THz磁光器件依然匮乏。

THz偏振转换器是能使入射光的偏振态在通过器件后变为另一种偏振态的元件，在光谱检测与传感、偏振通信和偏振成像中起着重要的作用。近年来公开了一些磁光材料THz偏振转换器件的技术方案和研究成果，例如一种基于电子掺杂n型InSb的太赫兹偏振器，在0-3T的外磁场、184K温度下实现了入射线偏振到不同偏振态的偏振转换功能[Opt.Express，2012，20(17)：19484]；又如一种基于正交金属光栅的InSb偏振转换器，在150mT的磁场，100K的温度下实现了偏振转换与选择功能[Photonics Research，2019，7(3)：325]。这类器件利用电回旋媒质的磁光效应实现偏振旋转的作用，并且大多通过透射器件产生旋光效果，对温度和磁场都有比较高的要求，对工作环境要求较为苛刻，很难实际应用。

综上所述，太赫兹技术的发展对高性能太赫兹偏振转换器件的研制有着迫切的需求，但国内外对太赫兹磁光偏振转换器件的研究仍处于起步阶段，现有的此类器件在低插入损耗、常温、弱外磁场工作条件等方面尚无法达到实际系统工作的要求，高性能太赫兹反射式磁光克尔偏振器件更是鲜有研究报道，所以发展弱磁条件、常温工作的高偏振度、低损耗、易加工的反射式太赫兹磁光克尔偏振器件具有非常重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够以高透过率、高Q值实现高偏振度线偏振态转换功能的太赫兹超表面磁光克尔偏振转换器，且结构简单、易于加工，以解决背景技术中的磁场大、低温工作、损耗大、制作困难等关键技术问题。

为实现上述目的，本发明的器件材料和结构为：太赫兹超表面磁光克尔偏振转换器由钇铁石榴石(YIG)铁氧体(1)、金属反射背板(2)和方框形金属超表面(3)共三层结构构成，其中YIG铁氧体为厚度为100μm的铁氧体基底，铁磁谐振线宽＜200Oe，饱和磁化强度达到4000Gs；金属反射背板(2)为厚度为500nm的金膜，贴附于YIG铁氧体(1)的后表面；方框形金属超表面(3)是在厚度为500nm的金膜上刻蚀形成的金属方框，附于YIG铁氧体(1)的前表面，正方形方框的外部宽度为20μm，内部宽度为10μm，沿X轴与Y轴方向的周期为25μm。