[发明专利]一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器

说明书

本发明公开了一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器，属于光学器件技术领域。该分光器由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，所述金属矩形块阵列，为由若干个n×n周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；所述n×n周期微纳阵列结构的周期尺寸A固定，矩形块长度L依次变化，由n个矩形块在x方向上构成2π相位梯度单元，同时矩形块长度W也依次变化，由n个矩形块在y方向上构成2π相位梯度单元。本发明在矩形块的长宽方向同时设置相位梯度实现分光，分光器增强了金属表面等离子谐振，从而提高了谐振波长处的反射率，进而提升了分光器的效率；可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器

背景技术

微纳结构光学技术是研究光与纳米结构之间相互作用的学科。当纳米结构尺寸小于光波长的情况下，物质表现出许多自然材料不具有的新颖光学特性。传统几何光学用相同电介质系数(或者折射率系数)材料的几何尺寸不同，造成光路方向的相位差，以此实现分光、聚光等功能；而微纳结构光学提供了不同的思路，宏观上的几何尺寸相同，而沿着垂直于光路方向由微纳结构引入电介质系数梯度(或者折射率系数梯度)，由此造成光路方向的相位差。本发明将微纳结构与光的幅度、相位、偏振操控问题相结合，提出了一种基于微纳结构反射进行偏振分光的方法。

对于偏振分光器，传统的分光方法为在一个直角棱镜的斜面镀多层干涉膜，光线以布鲁斯特角入射经过多层膜结构以后，入射光的一部分光折射，而s偏振分量在棱镜上反射从另一个方向出射，以此完成偏振分光。此传统方法存在着一些缺陷，单层光学薄膜效率较低需添加多层薄膜以满足分光需求；传统偏振分光器，光学器件的几何尺寸控制非常严格，且光学器件体积大，机械加工性不好；光线需以布鲁斯特角入射，两束光出射时相互垂直，对偏振分光器的应用造成一定的限制，无法完成任意出射角度的偏振分光。本发明与传统偏振分光器相比，结构简单，器件厚度尺寸在光波长数量级，两束偏振光出射角可控，同时可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。

发明内容

本发明提出了一种利用微纳结构阵列进行偏振分光的全新分光方式

根据Huygens理论，微纳结构阵列中的粒子单元在入射光作用下成为发射子波的波源。设计粒子单元的结构尺寸控制粒子单元中的电磁谐振，同时调制反射相位，可实现对传输波面的控制，进而影响反射光。设计2π相位梯度单元，精确控制微纳结构阵列中各个金属(Au)矩形块的x方向的长度尺寸，可对实现x方向偏振光出射角度的操控，同样，设计金属(Au)矩形块y方向的宽度尺寸，可实现对y方向偏振光出射角度的操控。

设计思想来源于广义Snell反射定律，dφ/dx为定值时有：

可得到反射角θ_r与入射角θ_i、入射光波长λ₀、介质折射率n_i以及相位梯度dφ/dx的关系。可见，对于给定的入射光波长和入射角，在非连续界面的一个方向上引进一个合适的相位梯度dφ/dx，反射光线将沿该方向发生偏转，若在x和y方向分别设置相位梯度，则可实现x方向偏振光和y方向偏振光的分离。因此，本发明提出在金属的长(x)和宽(y)方向各自设置相位梯度dφ/dx来实现偏振分光的方法。

基于上述原理，本发明采用如下技术方案：

一种基于微纳结构阵列的反射式平面偏振分光器为典型的金属-电介质-金属三层结构，分别由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，其结构包括：

定义金属矩形块的长宽方向分别为x、y向；

所述金属矩形块阵列，为由若干个n×n周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；