[发明专利]基于金字塔螺旋线阵列超材料的自旋光子传输调控器件

说明书

本发明涉及一种基于金字塔螺旋线阵列超材料的自旋光子传输调控器件，其包括：基底层、金字塔型螺旋阵列，金字塔型螺旋阵列包含阵列排布的金字塔型螺旋单元，金字塔型螺旋单元上分布有多段连续螺旋的台阶段，台阶段的表面设置有金属层，多段连续螺旋的金属层组成金属螺旋线；金字塔型螺旋单元材料的折射率与基底层材料的折射率相匹配，基底在圆偏振光波长范围内没有强吸收峰。该器件具有超稳定的机械结构，能够克服传统金属丝螺旋线阵列的重力力矩大易导致纳米金属丝螺旋线断裂和倒塌从而使器件失效的问题。该器件制备工艺简单，消光比高，工作波段大于一个倍频程，能够长期稳定工作在具有振动扰动的环境中。

技术领域

本发明涉及微、纳光子器件领域，尤其涉及一种基于金字塔螺旋线阵列超材料的自旋光子传输调控器件

背景技术

光的偏振态与光子的自旋角动量关联，是光的重要本质属性之一。而左旋和右旋圆偏振光对应着两种典型的自旋光子状态，在现代光子技术有着重要应用，如自旋光通信、手性生物分子探测、药物分析、自旋光存储和成像等。因此，自旋光子与物质的相互作用成为近年来微、纳光学的研究热点。然而，由于传统光学晶体材料不具备较大的圆双折射或圆二色性，长期以来，人们需要通过联合多个分立光学元件的方法实现不同自旋光子的传输调控，如四分之一波片、偏振分束器和偏振片的组合等。但分立器件之间需要较大的光传输距离和精密的光学对准，实际操作困难，并且占用空间较大，难以适应高密度集成的现代微、纳光子技术发展需求；近年来随着超构材料技术的发展，人们逐渐开发出了一些能够突破自然材料限制的新结构材料，尤其在自旋光子的传输调控上，人们利用激光直写、电镀和等离子体刻蚀技术制造了一种纳米尺度金属丝螺旋线阵列超构材料，实现了圆偏振光的传输调控（DOI：10.1126/science.1177031）。利用该器件，若自旋光子自旋方向与纳米金属丝螺旋线环绕方向相反，则光透过器件；反之，若光的自旋方向与纳米金丝属螺旋线环绕方向相同，则光被阻挡和反射。

但上述纳米金属丝螺旋线阵列超材料，金属丝直径只有0.2个微米，螺旋线阵列高度3-5个微米，因此每根纳米金属丝都具有很大的长径比。另外，纳米金属丝螺旋线与基底的接触面很小，圆面直径约为0.2微米，并且金属丝螺旋线结构重心偏离螺旋线与基底接触面，导致金属丝螺旋线结构具有较大的重力力矩。因此，该结构的机械稳定性较差，极易在振动条件下断裂、倒塌，造成器件性能降低甚至失效。另外，曲率半径均匀一致的金属丝螺旋线阵列的消光比一般较低，上述文献中其金属螺旋线的消光比最大值仅为15，并且离开最大值点，曲线两侧急剧下降，所以调控自旋光子传输的能力较弱。

鉴于自旋光子传输调控器件在微、纳光学的发展中的重要作用，迫切需要解决传统纳米金属丝线螺旋线阵列的机械稳定性差和消光比较低的缺点。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种自旋光子传输调控器件，该器件将超稳定的金字塔型螺旋单元和金属螺旋线结构结合起来，显著提升了自旋光子传输调控器件的机械稳定性和消光比。此外，在设计器件时，充分考量了金字塔螺旋单元与基底的折射率匹配以及材料吸收损耗问题，确保透射光高效率传输。相较于传统的螺旋结构，本发明该器件的制备工艺和流程较为简单。基于上述目的，本发明至少采用如下技术方案。

一种基于金字塔螺旋线阵列超材料的自旋光子传输调控器件，包括：基底层、布置于所述基底层上的金字塔型螺旋阵列，所述金字塔型螺旋阵列包含n×n个阵列排布的金字塔型螺旋单元，所述金字塔型螺旋单元材料的折射率与基底层材料的折射率相匹配，其中，n≥10；

所述金字塔型螺旋单元上分布有至少三段连续螺旋的台阶段，所述台阶段的表面设置有金属层，连续螺旋的金属层组成具有线圈的金属螺旋线，其中，线圈的数量至少为一圈；

所述基底在圆偏振光波长范围内没有强吸收峰，当圆偏振光正入射至该器件时，与所述金字塔型螺旋单元的螺旋方向相反的圆偏振光高效率透射，与其螺旋方向相同的圆偏振光被阻挡。

进一步地，所述台阶段与水平面的夹角选用10度至40度。