[发明专利]双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件

说明书

本发明公开了双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件。本发明所述器件包括：金属光栅层、介质衬底层、介质光栅层，金属光栅和介质光栅分别位于介质衬底两侧。其中，介质光栅层由衬底材料刻蚀，介质栅脊取向相对于金属栅脊取向夹角为45°，金属光栅和介质光栅均为亚波长光栅，它们的光栅周期均小于入射光波长。该器件结合金属光栅层的偏光特性与介质光栅层的人工双折射特性，可实现大于95％的偏振转换率，也可实现大于30dB的单向传输隔离度。由于金属光栅层和介质光栅层之间的模式耦合效应，相比于分立元件，该器件显著地提高了出射光透过率和工作带宽。该器件适用于太赫兹波的偏振转换和单向传输。

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种双层介质-金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件。

背景技术

太赫兹波是指振荡频率在10¹²Hz(1THz＝10¹²Hz)左右的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。太赫兹波技术主要涉及太赫兹波辐射源、探测器、传输、功能器件及太赫兹波相关应用的研究，其中太赫兹功能器件涉及滤波、调制、相移、偏振转换等器件。偏振转换元件是将入射光的偏振态在通过器件后变为另一种偏振态的器件，在光谱检测与传感、偏振成像、偏振光通信等领域有着重要的应用。性能优良的常规偏振转换元件应可以将线偏振光转过90°，并具有偏振转换率高、损耗小、宽带工作的特点。用于偏振转换的常规方法取决于天然双折射材料的性质[J.Infrared Millim.Te.34，663-681(2013)]，这种方法需要沿着晶体的两个正交光轴的刚好具有π的相位差。由于低双折射，大损耗，体积庞大和高价格，这些天然双折射晶体材料在太赫兹波段的应用非常有限。同时，因为相位延迟取决于波长，由双折射材料制成的标准双折射波片只能在很窄波段使用[Opt.Lett.31，265-267(2006)]。近年来，新型人工电磁微结构器件的兴起为太赫兹偏振转化器件的发展提供了新的思路，通过诸如表面等离子体、超材料、亚波长光栅等人工电磁微结构[Science：305，847-848(2004)]引入人工双折射，能实现太赫兹波段的高双折射、低损耗器件，从而得到高性能的太赫兹偏振转换器。然而，现有的人工电磁微结构太赫兹偏振转换器多是由以上两层的金属微结构组成的超表面构成，多采用反射式结构才能获得高的反射率和偏振转换率。少数采用透射式结构的器件[Science，340，1304(2013)]，由于多层金属结构的存在，严重的阻抗适配带来很高的损耗，器件透过率低、偏振转换率不高、工作带宽窄，同时多层金属结构的设计方案给器件的加工带来很大难度，也增加了制造成本，限制了这类器件的发展和应用。