[发明专利]金属超材料波片

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种金属超材料波片。

背景技术

偏振是电磁波的一项基本性质。偏振态所携带的信息在信号传输与传感测量方面都有着重要的价值。涉及偏振控制技术的应用已经渗透到了我们的日常生活和前言科学的方方面面。波片是最常见的偏振调控器件，其可以实现线偏光与圆偏光、椭偏光之间的相互转化以及线偏光偏振方向的旋转。传统的波片大多由具有双折射特性的光学晶体制备而来，其利用双折射晶体对不同偏振方向光分量折射率不同的特性在相互正交的透射光之间产生需要的相位差，从而实现对偏振态的调控。由于自然晶体的光学活性较弱，传统波片不便于光学集成。

新兴的超材料波片以其亚波长量级的有效器件厚度、可灵活设计的工作波段与工作带宽而引起了人们的广泛关注。其中，基于介质超材料的波片可实现超宽的工作带宽与接近于100％的工作效率。但是绝大多数介质超材料波片都是以硅为工作介质，因受限于硅的禁带宽度，该类波片在300太赫兹以上的波段无法保持高效率工作。部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够适应更宽波段，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。基于金属超材料的波片可以通过材料的结构设计来灵活地调节器件的工作波段，但是该类波片利用金属材料的表面等离激元共振，因而损耗会比较高。同时，利用厚度小于波长的单层金属纳米结构的波片无法有效地控制反射损耗，因而光波段的金属超材料波片的效率普遍较低。而利用多层金属超材料之间的耦合来同时产生电共振与磁共振以形成惠更斯超表面可以提高金属超材料波片的效率，但是目前金属超材料惠更斯超表面的效率仍然在50％以下，且其结构复杂、难于制备。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种金属超材料波片，具备了转换效率高、工作波段宽、易于集成化、易于制备的特点。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种金属超材料波片，包括：

介质衬底；

金属超材料层，设置于所述介质衬底上；该金属超材料层包括金属颗粒周期性阵列；

介质包覆层，设置于所述金属超材料层上，用于提供阻抗匹配；

其中，所述金属颗粒周期性阵列中的金属颗粒按矩形阵列排布；所述金属颗粒周期性阵列中的每个金属颗粒至少包含一对平行的光滑平面侧壁，用于在垂直于光滑平面侧壁方向的相邻金属颗粒之间形成法布里珀罗谐振腔。

在本发明的一些实施例中，所述金属颗粒的厚度不小于入射光在所述介质包覆层中工作波长的三分之一。

在本发明的一些实施例中，入射光被所述金属颗粒散射后耦合到法布里珀罗共振腔中形成横向法布里珀罗共振。

在本发明的一些实施例中，通过改变所述金属颗粒的尺寸来调节偏振方向分别平行和垂直于法布里珀罗谐振腔的透射光分量之间的相位延迟。

在本发明的一些实施例中，所述金属超材料波片为四分之一波片或半波片。

在本发明的一些实施例中，金属颗粒的形状为长方体，通过改变金属颗粒的长轴长度来调节偏振方向分别平行和垂直于法布里珀罗谐振腔的透射光分量之间的相位延迟。

在本发明的一些实施例中，通过调节所述相邻金属颗粒的光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该金属超材料波片工作波长的选取。

在本发明的一些实施例中，所述金属超材料波片工作波长范围为可见光到微波波段。

在本发明的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为该波片工作波段内无吸收的介质。

在本发明的一些实施例中，所述介质衬底与介质包覆层的材料为二氧化硅或三氧化二铝。

所述金属颗粒的材料为金、银、铜或铝。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种金属超材料波片至少具有以下有益效果其中之一：

(1)相较于现有的金属超材料波片，本发明利用高透射率的法布里珀罗共振来调节透射光产生的相位延迟，降低了波片的反射与吸收损耗，从而提高了波片的转换效率；

(2)相较于传统的基于光学晶体的波片，本发明提供的金属超材料波片的金属超材料层的厚度在亚波长量级，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度，且该波片器件结构简单，易于制备；

(3)通过调节相邻金属颗粒光滑平面侧壁之间的距离，即法布里珀罗谐振腔的腔长，实现对该波片工作波长的选取，进而使本发明提供的金属超材料波片适用于更宽的波段范围。

附图说明