[发明专利]类螺旋金属手性超材料圆偏振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆偏振器，具体涉及一种类螺旋金属手性超材料圆偏振器。

背景技术

偏振成像技术一方面能提供辐射测量不能提供的物体和物质的偏振信息,另一方面具有比辐射测量更高的准确度。利用偏振图像可以和灰度图像一样对自然目标进行区别和特性表征,在气象环境科学研究、海洋的开发利用、空间探测、生物医学以及军事等方面均有重要的应用,是一种新的信息分析手段,具有很多传统方法所不具备的优点。

人眼和一般探测器都是“偏振盲”，在没有任何辅助技术帮助的情况下人眼和探测器是不能够直接“感知”偏振的信息。对景物光波偏振态进行分解、扫描和角度编码的偏振光学元件是偏振探测成像系统中的核心器件，是实现偏振探测的关键。一般采用Stocks矢量对偏振光的状态进行描述，全Stokes矢量实时偏振探测是将不同方向的线偏振和圆偏振元件集成形成全Stocks超偏振探测单元阵列，再和探测器阵列集成形成全Stokes矢量偏振探测器，从而可以同时实现对不同方向圆偏振和线偏振信息的探测，相较于传统分立偏振探测技术，不仅系统更紧凑、稳定性和可靠性更高，而且可以实现分立偏振探测技术无法实现的实时探测和动态目标探测，因此被认为是偏振探测的高级形式。目前，采用亚波长金属偏振光栅阵列与探测器阵列集成形成集成线偏振探测器已有相关报道，而同时集成线偏振元件和圆偏振元件的全Stokes集成偏振探测器则鲜有报道。

目前，利用线偏振器与四分之一波片是最常见的实现和调控圆偏振光方法。但这样的器件在使用时必须对经过线偏振器的输入输出光进行汇聚和准直，同时要保证线偏振器和四分之一波片相互连接时的精确对准；系统是由分立器件组成，不仅使整个系统损耗大大增加，而且系统的不稳定性也大大增加，体积也较大，集成困难；四分之一波片工作波长范围较窄，无法获得宽波长范围的圆偏振光。最关键的是无法与线偏振结构单片集成，共同构成可实现全Stokes矢量探测的偏振阵列器件。

利用胆甾液晶的电控双折射特性以及螺旋状光纤的手性结构也可以获得及调控圆偏振光，但受胆甾液晶材料和螺旋状光纤自身性能的限制，这两种圆偏振器的工作范围也都较窄，极大地限制了其应用。不仅与线偏振单片器件的制备工艺不兼容，而且要获得合适的工作范围，需要增加螺旋圈数，从而造成器件太厚难以集成，因此，也无法成为全Stokes矢量探测的偏振阵列器件。

手性超材料是一类对称性缺失的人工超构材料，研究发现，手性超材料的圆二向色性(即对左旋和右旋圆偏振光有不同的响应)可以超过天然材料几个数量级，因而手性超材料作为一种新型的圆偏振器候选者开始受到广泛关注。

2009年9月，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首先提出采用Au螺旋手性超材料获得宽波段的圆偏振光，工作范围在3.5μm-6.5μm，见Justyna K.Gansel et.al.Circle Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,Science 325,1513(2009)。他们制备的方法是首先采用激光束直写技术对光刻胶进行阳刻，随后通过电化学沉积的方法，把金均匀沉积在螺旋状空气隙内，随后完全移除光刻胶从而获得单螺旋状的金线栅。与传统方法相比，采用这种螺旋结构工作波段宽，但受激光束聚焦光斑大小的限制，难以制备纳米尺寸器件。而且，该制备过程工艺复杂，特别是激光束直写速度慢，不仅难以实现大规模制备，而且激光直写方法所形成的圆偏振结构难以与其他线偏振结构实现单片集成，共同构成可进行全Stokes矢量实时偏振探测的阵列器件。

发明内容

本发明的目的在于提出一种类螺旋金属手性超材料圆偏振器，解决传统圆偏振器工作波长范围窄，难以与其他线偏振结构单片集成形成全Stokes矢量偏振探测器件的问题。

本发明的类螺旋金属手性超材料圆偏振器，其结构为：在衬底1正面由下到上依次为与基底牢固结合的透明介质间隔层2和嵌埋在透明介质间隔层内的类螺旋金属手性微结构阵列3。

所述的衬底1的材料为熔融石英玻璃或K9玻璃或ZK6玻璃或BAK玻璃光学玻璃或宝石或硅片或锗片；

所述的透明介质间隔层2的材料为适用于真空镀膜或磁控溅射镀膜工艺生长的SiO₂或SiO或MgO或Al₂O₃或MgF₂或ZnS。