[发明专利]基于超表面实现偏振干涉的结构、方法及其应用

权利要求书

1.一种基于超表面实现偏振干涉的方法，其特征在于：从光入射方向依次包括纳米砖阵列、透明基底(2)及金属反射层(3)；两偏振方向垂直的入射光经过基于超表面实现偏振干涉的结构产生恒定的相位差，在出射方向同时通过一检偏器满足偏振干涉条件；

所述纳米砖阵列、透明基底(2)及金属反射层(3)分别位于基于超表面实现偏振干涉的结构的顶层、中层及底层；

每个金属纳米砖(1)与透明基底(2)中二氧化硅和金属反射层(3)中金属银作为一个纳米砖单元结构工作，所述纳米砖阵列由若干个朝向角一致的纳米砖单元结构组成，可将偏振方向沿长轴的入射光反射、偏振方向沿短轴的入射光透射；所述透明基底(2)，用于使透射偏振光产生一定的光程；所述金属反射层(3)，用于反射透射偏振光；

所述顶层超表面采用MIM材料，即银-二氧化硅-银的材料结构；所述位于顶层的金属银用以刻蚀纳米砖阵列；所述位于中层的透明基底(2)采用二氧化硅用于传播光波；位于所述底层的金属反射层(3)采用金属银用于反射光波；

所述每个纳米砖单元结构均由一个边长为C的正方形的工作面和刻蚀于该工作面上的一个金属纳米砖(1)构成，所述金属纳米砖(1)的结构参数分别为长L、宽W、高H，所述结构参数根据入射光波长，通过电磁仿真优化得到，均为亚波长级；以纳米砖单元结构的直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，金属纳米砖(1)的长边为长轴，短边为短轴；

所述纳米砖单元结构针对设计波长满足磁共振条件，使得偏振方向沿金属纳米砖(1)长轴的入射线偏振光达到极高的反射率；所述纳米砖单元结构的等效折射率介于周围环境折射率与二氧化硅层折射率之间，使得偏振方向沿金属纳米砖(1)短轴的入射线偏光达到极高的透射率；包含如下步骤：

(1)设定入射光工作波长为λ＝633nm，并采用电磁仿真软件CST建模仿真，对金属纳米砖(1)结构参数即长轴、短轴、高度及单元尺寸进行优化来获取最佳结构参数：

分别以偏振方向沿金属纳米砖(1)长轴的x线偏光和沿金属纳米砖(1)短轴的y线偏光入射，以x线偏光反射率最高透射率最低和y线偏光透射率最高反射率最低为优化对象；通过扫描金属纳米砖(1)的结构参数优化，得到金属纳米砖(1)结构尺寸为：C＝300nm，L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm；对于此金属纳米砖(1)结构优化结构，在设计波长633nm处，x线偏光反射率在90％以上，y线偏光透射率在97％以上；

(2)y线偏光由纳米砖阵列透射到二氧化硅基底并被底层的金属银反射层反射，在出射端与被纳米砖阵列反射的x偏振光合并以同一方向传播；所述二氧化硅基底厚度远大于工作波长为h，因此出射端两束偏振态正交的偏振光的相位差δ为：

其中，n_sio2为二氧化硅层的折射率，λ为工作波长，θ为入射角度；所述二氧化硅厚度h＝500μm；金属银反射层厚度为200nm；

(3)y线偏光在出射端与反射的x偏振光合并，两偏振光间保持恒定的相位差δ；垂直于出射方向放置一个检偏器，为保证两偏振光的振幅分量相当，使检偏器透光轴与y线偏光和x偏振光的偏振方向均呈45°夹角；在检偏器透光轴上两束偏振光的投影的分量具有相同的振动方向，因此满足光波干涉的条件，通过透镜聚焦，在检偏器后方产生干涉图样。

2.一种基于超表面实现偏振干涉的结构在制备基于超表面的偏振干涉仪中的应用，其特征在于：所述基于超表面的偏振干涉仪包含如权利要求1所述基于超表面实现偏振干涉的结构，从下到上依次为最底层的银反射层、用于粘合的钛层、二氧化硅基底和银纳米砖阵列。