專利名稱：基于共振原理的納米薄膜半波片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波偏振完全轉(zhuǎn)換的半波片器件，尤其適用于微納光電子集成領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
偏振是光波的基本屬性，對光偏振的操控或利用在科學(xué)研究(例如用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析)、信息工業(yè)(例如用于通訊及各種液晶顯示器)、交通運輸(例如用于遮避刺眼強光)和國防建設(shè)(例如軍事偵查)等方面有著廣泛的應(yīng)用。半波片是用來實現(xiàn)光的偏振態(tài)完全轉(zhuǎn)換的一種器件，在光通信、光傳感、光隔離等領(lǐng)域中具有非常重要的地位。作為一種重要的光學(xué)器件，半波片的相關(guān)理論已被廣泛研究。 根據(jù)半波片的實現(xiàn)方法，常見的半波片分為晶體波片型、光纖型，光電晶體型和液晶型四大類。光纖型、光電晶體型和液晶型半波片都需要外部調(diào)制信號(應(yīng)力或電壓)，這導(dǎo)致它們的應(yīng)用受到了限制。晶體波片型半波片應(yīng)用最為廣泛，其組成材料為各向異性晶體，原理是基于光在這些晶體中傳播的雙折射效應(yīng)。假設(shè)線偏振光垂直入射到該類晶體，其電場方向與晶片光軸夾角為9，入射電場分解成垂直于光軸和平行于光軸兩個分量，它們分別對應(yīng)晶片中的O光和e光。晶片中的O光和e光沿同一方向傳播,但由于折射率的不同，穿出晶片后兩種光間產(chǎn)生的光程差為(no-ne) d, d為晶片厚度，no和ne分別為o光
和e光的折射率,兩電場分量的相位差為A0 = =，在出射面，由于附加
相位差的引入，出射光的偏振會發(fā)生變化，當(dāng)相位差等于180度時，就能實現(xiàn)偏振的完全變換(即半波片)。因為一般晶體的no-ne在的10_3量級，所以在光波段，要實現(xiàn)半波片功能，半波片的厚度至少在毫米量級。所以，傳統(tǒng)晶體波片型半波片作為一種重要的光學(xué)器件，受物理尺寸的限制，難以滿足微納光電子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微納光電子集成的半波片顯得非常迫切。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)半波片的缺點，本發(fā)明將提出基于共振原理的納米薄膜半波片。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是光波共振時，各處的電場同步振動，這時候不管是反射還是透射對應(yīng)的附加相位都為零，自然與厚度d無關(guān)。光波共振的結(jié)構(gòu)很多，比如FP腔、光子晶體微腔、局域等離激元金屬微結(jié)構(gòu)和光學(xué)天線等，共振結(jié)構(gòu)的尺寸決定了半波片結(jié)構(gòu)的尺寸。由于局域等離激元金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸在納米量級，所以很自然地能得到基于金屬微結(jié)構(gòu)的納米尺度半波片。根據(jù)此方案(原理)可以設(shè)計各種各樣的共振結(jié)構(gòu)，同時，既可以設(shè)計出透射型半波片也可以設(shè)計出反射型半波片。本實施例以反射型為例，并選取二維周期排列、正交耦合的劈穴諧振子陣列作為一般性代表(其它共振結(jié)構(gòu)也是本發(fā)明專利權(quán)利要求保護的內(nèi)容)來說明基本方案。在厚度為180納米的單層金質(zhì)薄膜上刻蝕由三個成90度相連的圓形孔為組元的周期結(jié)構(gòu)，孔直徑為460納米，深度為150納米(反射結(jié)構(gòu))，組元內(nèi)相鄰孔中心間距650納米，相連部分寬度為150納米，組元間距即周期為1300納米。在這樣設(shè)計的在非擴展結(jié)構(gòu)中，存在局域等離激元共振，并且支持對稱和反對稱兩種模式(以沿三個圓形孔的對稱方向為軸)。與對稱模式共振頻率相等的線偏振光垂直入射到此結(jié)構(gòu)，其電場與光軸(沿三個圓形孔的對稱方向)夾角為9，入射光的電場分解成垂直于光軸(類似O光)和平行于光軸(類似e光)兩個分量，由于對稱性的關(guān)系，O光不能激勵對稱局域等離激元共振模式，被金薄膜正常反射，附加相位為180度；而e光能激勵對稱局域等離激元共振模式，每個組元的局域離激元共振等效于一個輻射源，所有這些輻射源在遠場又疊加成e光，所以相當(dāng)于e光被共振反射，附加相位差為0度。由于O光和e光附加相位差的引入,反射光的偏振會發(fā)生變化，理想情況下其方向與入射光偏振夾角2 0，如果0 =45°，則此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)偏振的完全變換，即此結(jié)構(gòu)可以看作是一個半波片。本發(fā)明的有益效果是(I)提出基于常規(guī)反射與共振反射疊加控制光波偏振的基本物理思想。此原理可以擴展到除金屬局域等離激元共振結(jié)構(gòu)以外的其他類型的共振結(jié)構(gòu)，如光子晶體和光柵共 振結(jié)構(gòu)等；并且也可以擴展到透射情況，如光學(xué)天線共振結(jié)構(gòu)等，即利用普通行波傳播透射與共振透射疊加控制光波偏振。(2)基于基本物理思想，通過改變形狀結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計出當(dāng)前工藝水平易于制造的納米薄膜半波片。如本例，單層金屬薄膜的微納結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)加工工序少，制作簡單，易于實際應(yīng)用。(3)滿足了微納光電子集成的要求，推動了光電集成的進一步發(fā)展。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。圖I是陣列結(jié)構(gòu)整體布局圖(3X3)。圖2是單個陣列胞元立體視圖。圖3是單個陣列胞元平面?zhèn)纫晥D。圖4是實驗系統(tǒng)圖。圖5是實驗樣品圖。圖6是實驗結(jié)果數(shù)據(jù)圖。圖2中D為單穴直徑，等于460納米；H為劈穴深度，等于150納米；W為劈槽寬度，等于150納米；R為相鄰兩穴中心間距，等于650納米；虛線所示方向為對稱模式方向。圖4中I為光源；2為凸透鏡；3為共焦孔；4、8為格蘭-湯普森棱鏡；5、9為分束器；6為物鏡；7為樣本；10為單色儀；11為探測器；12為PCI (外部控制器)；13為CCD攝像系統(tǒng)；14為計算機。圖6中縱軸為歸一化強度，橫軸為波長。
具體實施例方式實施例一在二氧化硅襯底上用磁控濺射方法鍍一層金膜，然后用聚焦離子束或反應(yīng)離子刻蝕加工金膜，得到設(shè)計好的周期孔結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。實施例二 如圖4所不,一束由齒光燈I產(chǎn)生的白光經(jīng)格蘭-湯普森棱鏡4起偏后由物鏡6 聚焦到實施例樣本7上，反射光被同一物鏡6吸收后由另一個格蘭-湯普森棱鏡8檢偏并分成兩束。一束被CXD攝像系統(tǒng)13捕獲，另一束入射到單色儀10并被探測器11探測。由起偏器決定入射光的偏振方向，通過調(diào)整檢偏器的方向來得到反射光任意偏振方向的反射率，得到如圖6所示的實驗結(jié)果。
權(quán)利要求
1.基于共振原理的納米薄膜半波片，其特征是入射光偏振分解為兩個特定的互相垂直的分量，其中一個分量能與結(jié)構(gòu)共振，被結(jié)構(gòu)共振反射或共振透射，而另一分量則不能與結(jié)構(gòu)共振，被常規(guī)反射或直接透射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共振型納米薄膜半波片，其結(jié)構(gòu)根據(jù)需要可以多變，但其物理機理不變，即一個分量被結(jié)構(gòu)共振反射或共振透射，而另一分量被常規(guī)反射或直接透射。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的共振納米薄膜半波片，其特征是單元尺寸依被控制光波波長的改變而改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的共振納米薄膜半波片，其特征是通過改變其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分別實現(xiàn)反射和透射式兩種類型。
全文摘要
基于共振原理的納米薄膜半波片。半波片是用來實現(xiàn)光波偏振態(tài)完全轉(zhuǎn)換的一種器件，在光通信、光傳感、光隔離等領(lǐng)域中具有非常重要的地位。但常用的傳統(tǒng)晶體半波片由于受到物理尺寸(厚度至少在毫米量級)的限制，很難滿足微納光電子集成的要求，本發(fā)明提出了基于共振原理的納米薄膜半波片，物理尺寸可以突破衍射極限達到納米量級。本發(fā)明以反射式局域等離激元金屬微結(jié)構(gòu)為例，闡明基于共振原理實現(xiàn)光波偏振完全轉(zhuǎn)換的物理機理。此原理可以擴展到除金屬局域等離激元共振結(jié)構(gòu)以外的其他類型的共振結(jié)構(gòu)，如光子晶體和光柵共振結(jié)構(gòu)等；也可以擴展到透射情況，如光學(xué)天線共振結(jié)構(gòu)等。
文檔編號G02B5/30GK102721993SQ20121018015
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者劉肯, 葉衛(wèi)民, 徐威, 朱志宏, 楊鏢, 羅章, 袁曉東, 郭楚才, 馬婷 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)