[发明专利]一种超表面四分之一波片

说明书

本发明公开了一种超表面四分之一波片，包括透明衬底，透明衬底上的纳米金属结构阵列。其中，纳米金属结构由空心十字形结构以及空心十字形结构中央的实心椭圆结构构成，空心十字形结构和所述实心椭圆结构的厚度一致。本发明结构为激发LSP共振和设计波片提供了一种有效的新方法，并在液晶显示、光通信、传感器检测和成像方面拥有巨大的潜力。

技术领域

本发明涉及一种光学结构，具体涉及一种四分之一波片。

背景技术

偏振态作为光的基本和固有属性之一，独立于振幅、相位和频率等物理量，可以提供丰富的光和物质相互作用的信息，被广泛应用于量子信息处理和生物医学传感等众多科研领域。因此，设计出能够灵活调控偏振态的光学波片十分重要。传统的光学波片一般由双折射材料构成，通过控制两个正交偏振电场传播一定距离产生的相位延迟来调控偏振态，因此体积大且笨重，同时功能也比较单一，和光学器件小型化、集成化的发展趋势不相吻合。近年来，由亚波长尺度的结构单元构成的二维超表面可以实现对电磁波的振幅、相位及偏振态的灵活调控，充分发挥其结构超薄紧凑、集成兼容性强和功能多的优势，已成为新一代的集成光场调控平台。

2011年初，Bozhevolnyi的团队设计了一种支持垂直电偶极子的砖形散射体，该散射体可以在中心波长770nm的反射模式下产生π/2的相位差。通过优化衬底顶部的金纳米砖的尺寸，可以支持失谐的电偶极共振，以在具有不同偏振角的LP入射光束下实现线性圆偏振转换。尽管这项工作为设计后续的波延迟器提供了一种概念性方法，但由于工作在不需要的信道，偏振转换效率受到限制，并且有效工作带宽明显较窄^[1]。Zhao等人设计的透射QWP，其中晶胞由超薄银(Ag)层中的两个尺寸优化的正交矩形纳米狭缝形成。在600至800nm的宽带波长范围内，两个LP传输场的相位差可以保持在π/2。在616至746nm的带宽内，当用右圆偏振(RCP)和左圆偏振(LCP)光束照射QWP时，模拟的线偏振度(DoLP)接近1。类似于单层波片，由于不可避免的反射损耗，这种互补QWP的转换效率有限^[2]。2012年，Roberts等人提出了一种在银膜中具有十字形孔径周期阵列的四分之一波片。波片的传输效率和相位(对于固定的臂宽度)对相关臂的长度敏感。从线性到圆形(LTC)偏振的转换是在可见光710到760nm的一些离散波长下实现的，银膜的厚度为140nm^[3]。Yang等人在2013年提出了一种由对称L形等离子体天线的周期性平面阵列组成的四分之一波片。透射光的椭圆率在1550nm处可以达到0.994。椭圆率大于0.9的带宽为80nm，其带宽并不理想^[4]。2015年，通过仔细设计超级天线中的纳米天线，Li等人实现了由20纳米厚的金纳米棒阵列组成的四分之一波片。理论上可以在1550nm左右实现CTL偏振的转换和逆变换。圆极化率为0.67，传输效率为0.4。超薄结构可以在宽带中实现CTL偏振，但在1550nm处LTC偏振的椭圆率(振幅比)较低^[5]。Song等人提出了在475至675nm的整个可见光范围内的一种全偏振产生和带宽无限偏振维持衍射平面光学的通用方法。它依赖于由独特元素组成的PB相超表面产生的正交极化的叠加，以消除结构的色散响应。通过使用RLL和LRR配置，振幅控制的偏振方便性的线性叠加建立了全偏振生成^[6]。

[1]A.Pors,M.G.Nielsen,G.D.Valle,M.Willatzen,O.Albrektsen,andS.I.Bozhevolnyi,“Plasmonic metamaterial wave retarders in reflection byorthogonally oriented detuned electrical dipoles,”Opt.Lett.,vol.36,pp.1626–1628,2011.

[2]Y.Zhao and A.Alù,“Manipulating light polarization with ultrathinplasmonic metasurfaces,”Phys.Rev.B,vol.84,p.205428,2011.