[发明专利]渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆偏振器，具体涉及一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器。

背景技术

圆偏振器是偏振光学领域的一种重要的光学元器件，在偏振分光、偏振成像、彩色显示和激光技术等领域有着重要的应用。目前，利用线偏振器与四分之一波片是最常见的实现和调控圆偏振光方法。但这样的器件在使用时必须对经过线偏振器的输入输出光进行汇聚和准直，同时要保证线偏振器和四分之一波片相互连接时的精确对准；系统是由分立器件组成，不仅使整个系统损耗大大增加，而且系统的不稳定性也大大增加，体积大，集成困难；四分之一波片工作波长范围较窄，无法获得宽波长范围的圆偏振光。

利用胆甾液晶的电控双折射特性以及螺旋状光纤的手性结构也可以获得及调控圆偏振光，但受胆甾液晶材料和螺旋状光纤自身性能的限制，这两种圆偏振器的工作范围也都较窄，而且要想获得较高消光比需要增多螺旋周期数，导致器件体积较大，难以集成，极大地限制了其应用。

2009年9月，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首先提出采用金螺旋手性超材料获得宽波段的圆偏振光，工作范围在3.5μm-6.5μm，消光比大约为10，见Justyna K.Gansel et.al.Circle Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,Science 325,1513(2009)。他们制备的方法是首先采用激光束直写技术对光刻胶进行阳刻，随后通过电化学沉积的方法，把金均匀沉积在螺旋状空气隙内，随后完全移除光刻胶从而获得单螺旋状的金属线栅。与传统方法相比，采用这种螺旋结构工作波段宽，但消光比仍较低，难以用于实际应用。在此基础上，华中科技大学杨振宇等提出工作在可见-近红外波段的铝单螺旋圆偏振器以及多螺旋金属线栅圆偏振器(中国发明专利公开号：101782666A，102073088A，101852884A)，工作波长范围可以达到0.49-1.37μm，消光比可以达到270以上。但他们提出的结构消光比仍较低，而且多螺旋圆偏振器相较于单螺旋圆偏振器制备工艺上更加复杂，因此极大限制了它的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，解决传统圆偏振器工作波长范围窄，消光比低，难以集成的问题。

本发明的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器，其结构为：在衬底1正面沉积有N个周期性排布的螺旋线阵列2，其特征在于：

所述的衬底1的材料为熔融石英玻璃或K9玻璃或ZK6玻璃或BAK玻璃或光学玻璃或宝石片或硅片或锗片或FR板或泡沫塑料；

所述的螺旋线阵列2中单个螺旋金属线由旋向相同的两部分螺旋线相连而成，分别为螺旋线半径自上而下依次变大的上层渐变半径部分21和下层螺旋线半径相同的下层等径部分22；螺旋线阵列2的单元尺寸为：螺旋线横向周期p＝n×(900～1000)nm，螺旋螺距SH＝n×922.5nm，螺旋周期数4≤NH≤10，上、下层部分螺旋线的螺旋周期数均为NH/2，上层部分螺旋线最小螺旋直径DH_min＝n×(90～100)nm，最大螺旋直径DH_max＝n×(720～800)nm，下层部分螺旋线螺旋直径DH＝n×720nm，螺旋线直径均为DW＝n×(67.5～75)nm，其中n不限于整数，取值范围为1≤n≤200000。所述的螺旋线材料为具有表面等离子体共振特性的Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr。

本发明的渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器的基本原理是：对于螺旋结构，只有当入射电磁波的极化方向与螺旋的旋向匹配时(例如左旋圆偏振光与左旋螺旋)，才会在螺旋线上产生较强的感应电流，且电流以驻波的形式在螺旋线中传输，入射光被螺旋线“接收”而不能透过；反之，当极化方向不匹配的圆偏振光入射时，螺旋线上产生的电流则非常微弱，几乎可以忽略不计，大部分入射光都可以透过器件。这样通过调整螺旋结构的旋向，螺旋手性金属超材料圆偏振器就实现了对左右旋圆偏振光的选择性透过。采用渐变螺旋结构，相较于等径螺旋结构可以更有效耦合入射光，提高极化方向不匹配的入射光的透过率；而对于极化方向匹配的入射光，由于螺旋半径不同可以实现局域化共振从而有效提高对其透过的抑制效果。结构尺寸增大，则对应共振波长红移，工作波段也随之红移。螺旋纵向周期数增大，则对旋向匹配入射光的透过抑制作用越强，消光比越高。

本发明的优点是：