[实用新型]一种具有三层表面等离激元结构的偏振旋转器

说明书

本实用新型提供了一种具有三层表面等离激元结构的偏振旋转器。该偏振旋转器包括叠放的三层金属薄膜，相邻金属薄膜之间设有介质层；每层金属薄膜上均设有矩形孔阵列，三层金属薄膜上的矩形孔具有不同的取向；相邻金属薄膜的矩形孔的长边夹角两两相等，且三层金属薄膜的矩形孔投射到同一平面上时，对应的矩形孔的一端重叠。本实用新型的偏振旋转器可以实现高效、宽带的90度偏振旋转，且其透射电磁波具有效率高、宽工作带宽的特点。

技术领域

本实用新型涉及一种具有多层表面等离激元结构的偏振旋转器。

技术背景

偏振旋转器（polarization rotators）是集成光路和光学仪器中常用的光学器件，它的作用是使入射的线偏振光的偏振方向发生一定角度的旋转。传统的偏振旋转器叫波片（二分之一波片或四分之一波片）。制备传统波片的材料主要是双折射材料、液晶材料或具有二向色性的材料，这些材料具有体积大、带宽窄、效率低等缺陷。现代集成光路的发展和光学仪器的小型化使光学器件都在向微型化方向发展，且对光学器件的性能要求也越来越高。传统的偏振器件显然已经不能适应这种变化的需求。

近来，利用基于表面等离激元的人工微结构对电磁波进行调控是光学领域的研究热点。通过这些研究，人们开发出了自然界不存在的新的材料，揭示出新的物理效应，并构造新的物理器件。表面等离激元源于电磁波的光子与金属表面的自由电子耦合。由于电磁场与金属表面自由电子振荡的强烈耦合，光能够沿着金属表面传播（且局域于表面附近亚波长的尺度范围），这一电磁表面模被称为表面等离激元。利用表面等离激元效应，可构造各种各样的表面等离激元波导。它既有光子元件的长处（容量大），又有电子器件的优点（尺寸小），且光电信号都能以同一金属回路进行传输。因此，表面等离极化激元为未来的光电集成提供了一个新的途径。

通过对表面等离激元理论以及基于表面等离激元材料的深入研究，其在光学各领域的广泛应用也在逐渐展开，许多基于表面等离基元材料的有趣的物理效应也被陆续发现。比如：基于金属亚波长小孔阵列结构的增透效应，其在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。此外，在表面等离激元在光刻中的应用；远场光学透镜成像；负折射及成像器件等方面也具有广泛的应用。

基于表面等离基元材料的偏振旋转效应也是目前的一个研究热点。通常，利用具有亚波长孔阵列的单层或多层金属膜来实现光波的偏振旋转。不过，目前已有的偏振转换器通常转换效率较低或工作带宽较窄（或只适用于特定的工作波长）。另一方面，基于亚波长金属开口环、金属棒等粒子，人们构造的复合的超构材料，拥有各向异性（类似于波片）或光学活性（手性材料）等性能，这同样为实现光波偏振态的转换提供可能方法。然而，亚波长的超构材料通常制备复杂且损耗较大，这限制了其在短波长特别是可见和近红外波段的应用。

发明内容

为了解决传统偏振器件的体积庞大，不易集成，以及现有的基于等离激元或超材料的偏振旋转器的效率低下，工作带宽低，制备材料耗损大等缺点。本实用新型提出了一种基于多层表面等离基元结构的偏振旋转器，其透射光的效率高，且工作带宽宽。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种具有三层表面等离激元结构的偏振旋转器，包括叠放的三层金属薄膜，相邻金属薄膜之间设有介质层；每层金属薄膜上均设有矩形孔阵列，三层金属薄膜上的矩形孔具有不同的取向；相邻金属薄膜的矩形孔的长边夹角两两相等，且三层金属薄膜的矩形孔投射到同一平面上时，对应的矩形孔的一端重叠。

进一步地，所述介质层为玻璃或者空气。

进一步地，相邻金属薄膜的矩形孔的长边夹角为45度。

进一步地，所述介质层的厚度为亚波长，矩形孔的尺寸也为亚波长。

进一步地，所述矩形孔阵列为周期性阵列。