基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件论文和设计

全文摘要

本发明公开一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离构成近似“T”形结构；其在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。类似的，还公开一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，在第一频率波段具有半波片功能，在第二频率波段具有四分之一波片功能。本发明利用复合结构单元能在红外波段的不同工作频段分别实现不同的光学功能，以进一步促进光学元器件的小型化和集成化。

主设计要求

1.一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其特征在于，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；所述三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，所述第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离，从而构成近似“T”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维T形结构单元在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。

设计方案

2.如权利要求1所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，长度2.7±0.1微米；所述第二结构的高度为1.3±0.1微米，长度1.6±0.1微米。

3.如权利要求2所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构和第二结构间隔0.76±0.03微米。

4.如权利要求2所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述周期为3.6±0.2微米。

5.如权利要求1至4任意一项所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。

6.一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，其特征在于，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维X形结构单元；所述三维X形结构单元包括均为方砖状的一个第一结构和两个第二结构，两个第二结构分别垂直分布在第一结构的两侧且与第一结构间隔一定距离，从而构成近似“X”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维X形结构单元在第一频率波段具有半波片功能，在第二频率波段具有四分之一波片功能，所述第一频率低于第二频率。

7.如权利要求6所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，长度4.5±0.1微米；所述第二结构的高度为1.1±0.1微米，长度1.7±0.1微米。

8.如权利要求7所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述第一结构和第二结构间隔0.27±0.02微米。

9.如权利要求7所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述周期为3.6±0.2微米。

10.如权利要求6至9任意一项所述的多功能偏振调节元器件，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。

设计说明书

技术领域

本发明属于光电功能器件与材料制备技术领域，具体涉及通过三维复合结构单元的设计可在不同频段分别实现不同的波片功能的偏振调节元器件。

背景技术

偏振调控在现代光学光电子学等诸多研究领域有着重大应用。如何对偏振态进行精确而灵活地调控一直都是光学和光子学研究中的重要问题。过去利用自然界中的双折射晶体实现对光的偏振转换。随着光电器件小型化和集成化的发展，传统的基于光学晶体的偏振态调控方案由于其器件的体积较大，因此应用上受到诸多限制。如果要进一步减小光学元件尺寸，提高光学系统的集成度，则需要一种新的设计思路。

近年来利用人工微结构，包括超材料和超表面来进行偏振态调控可以大大缩小偏振调节元器件的体积。如果能够进一步将多种不同的功能集成到一个光学元件上，让一个器件实现原先需要多个器件才能实现的功能，那么就可以更进一步的提高元器件的集成度，缩小体积并且降低制造成本。

发明内容

为进一步促进光学元器件的小型化和集成化，本发明为在三维立体人工微结构的基础上，利用复合结构单元实现多种光学功能的设计思路，提出基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，能在红外波段的不同工作频段分别实现不同的光学功能。

本发明的具体技术方案包括以下两种：

方案一：一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维T形结构单元；所述三维T形结构单元包括均为方砖状的第一结构和第二结构，所述第一结构和第二结构垂直布置且间隔一定距离，从而构成近似“T”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维T形结构单元在第一频率波段具有四分之一波片功能，在第二频率波段具有半波片功能，所述第一频率低于第二频率。

优选的，所述第一结构长于且高于第二结构。

优选的，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，2.7±0.1微米；所述第二结构的高度为1.3±0.1微米，长度1.6±0.1微米；优选的，所述第一结构和第二结构间隔0.76±0.03微米。

优选的，所述第一结构和第二结构的宽度为0.5±0.05微米。

优选的，所述周期为3.6±0.2微米。

优选的，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。

方案二：一种基于三维复合结构单元的多功能偏振调节元器件，具有金属薄膜表面，所述金属薄膜表面具有多个周期性排布的三维X形结构单元；所述X形结构单元包括均为方砖状的一个第一结构和两个第二结构，两个第二结构分别垂直分布在第一结构的两侧且与第一结构间隔一定距离，从而构成近似“X”形结构；所述第一结构和第二结构的长度和高度均不相等；所述三维X形结构单元在第一频率波段具有半波片功能，在第二频率波段具有四分之一波片功能，所述第一频率低于第二频率。

优选的，所述第一结构长于且高于第二结构。

优选的，所述第一结构的高度为1.9±0.1微米，长度4.5±0.1微米；所述第二结构的高度为1.1±0.1微米，长度1.7±0.1微米；

优选的，所述第一结构和第二结构间隔0.27±0.02微米。

优选的，所述第一结构和第二结构的宽度为0.3±0.03微米。

优选的，所述周期为3.6±0.2微米。

优选的，所述金属薄膜的厚度为35±5纳米。

基于上述两种方案，本发明将具有不同光学功能的第一结构和第二结构在一个结构单元中进行复合，可实现的功能从物理原理上看是利用了三维结构特有高度可调节属性，这是传统二维结构无法获得的。三维结构在组合的过程中除了平面上的距离和位置可以调节，相对于普通二维结构，在高度上也可以对第一结构和第二结构进行分别设计。这样一来，可以利用镜像原理和相位共轭原理，为第一结构和第二结构分别设计不同的高度，从而实现一定的宽带效果。另一方面，还可以利用高度空间上的差别将第一结构和第二结构分离，从而使得他们彼此之间的耦合效果得以减弱，保证光学功能互不影响。而反过来考虑二维结构，则不具备这样的设计可能。本发明通过调节第一结构和第二结构的高度和长度，可以在不同频段实现半波片或四分之一波片的功能。需要说明的是，四分之一波片和半波片是偏振态调节光学元件中最基本最重要的两个器件。在光学研究中，如果想要灵活的改变偏振态，基本上就是使用这两种波片进行组合与调节，因此，从波片功能而言，也就只有这两个通常功能。

本发明具有以下有益效果：

(1)提出一种利用三维复合结构实现多种光学功能的设计思路，通过将具有不同光学功能的第一结构和第二结构在一个结构单元中进行复合，得到三维复合结构单元的设计，仅仅通过一个元器件便可在不同频段分别实现不同的波片功能，并首次公开了两种工作频段在红外波段的基于三维立体人工微结构的多功能偏振态调制元器件设计。

(2)采用的结构基本单元是具有不同高度和长度的方砖形结构，与二维结构相比，三维立体结构由于高度之间存在差异，在不同基础单元组合成为复合单元时彼此间的耦合较弱，在进行参数调试的时候不同基本单元之间的相互影响较少，便于设计和实现多种功能。

(3)所设计的T形多功能偏振调节元器件(T形复合结构)，在低频率波段T形复合结构具有四分之一波片功能，在高频率波段T形复合结构具有半波片功能，而原先要实现这种功能需要同时使用一块低频率波段的四分之一波片和高频率波段的半波片。

(4)所设计的X形多功能偏振调节元器件(X形复合结构)，在低频率波段X形复合结构具有半波片功能，在高频率波段X形复合结构具有四分之一波片功能，而原先要实现这种功能需要同时使用一块低频率波段的半波片和高频率波段的四分之一波片。

附图说明

图1是T形复合结构在中红外波段实现低频四分之一波片高频半波片的实验图，其中：(a)是T形复合结构单元按周期排列的阵列示意图，(b)是T形复合结构的结构单元示意图，(c)是制备出的T形复合结构的扫描电子显微镜照片，(d)是制备出的T形复合结构的扫描电子显微镜照片，(e)是T形复合结构偏振转换的实验测量结果，(f)是T形复合结构偏振转换的计算机模拟结果；

图2是X形复合结构在中红外波段实现低频半波片高频四分之一波片的实验图，其中：(a)是X形复合结构单元按周期排列的阵列示意图，(b)是X形复合结构的结构单元示意图，(c)是制备出的X形复合结构的扫描电子显微镜照片，(d)是制备出的X形复合结构的扫描电子显微镜照片，(e)表示X形复合结构偏振转换的实验测量结果，(f)表示X复合结构偏振转换的计算机模拟结果；

图3是利用X形复合结构进行红外成像的实验图，其中：(a)是利用不同旋转角度的X形复合结构制备成的图像的电子显微镜照片；(b)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为x方向的焦平面阵列图像，积分区间为1400-1900波数；(c)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为x方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(d)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为y方向的焦平面阵列图像，积分区间为1400-1900波数；(e)是在x偏振方向入射光下，检偏方向为y方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(f)是在45°偏振方向入射光下，检偏方向为45°方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数；(g)是在45°偏振方向入射光下，检偏方向为135°方向的焦平面阵列图像，积分区间为2100-2200波数。

具体实施方式

本发明在衬底上制备出均匀分布的由方砖状基本结构单元空间组合而成的三维复合结构，第一步制备的结构可以是介质(譬如感光树脂)组成，随后在全部介质表面和衬底上表面全覆盖一层金属薄膜。通过调节组成例如T形复合结构和X形复合结构的方砖结构的高度和长度，以控制反射光的两个相互垂直方向分量的振幅和相位差，从而可以实现在低频段和高频段不同的光学功能。本发明的制备方法是利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在玻璃片上制备出用于形成三维复合结构的介质。利用磁控溅射在介质和衬底表面溅射上一层约35纳米厚的均匀薄膜。通过调方砖形结构的高度和长度，可以在不同频段实现半波片或四分之一波片的功能。

为了更加充分说明本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

实施例1：公开一种多功能偏振态调控元器件，结合图1所示，图1(a)是T形复合结构单元的阵列图，通过选择合适的结构参数，T形复合结构单元周期为3.6±0.2微米，较高较长方砖结构的高度1.9±0.1微米，长度2.7±0.1微米；较矮较短方砖的高度为1.3±0.1微米，长度1.6±0.1微米；两种方砖结构均宽0.5±0.05微米。较高较长方砖和较矮较短方砖之间的缝隙间距(间隙)为0.76±0.03微米。并且方砖结构以及方砖周围衬底的上表面，都覆盖有连续金属薄膜，金属薄膜厚度为35±5纳米。此时，当入射光线偏振方向沿着图1(a)中的x轴方向，传播方向为-z方向入射时，T形复合结构将在低频率波段(1500波数-1950波数)具有四分之一波片功能，将入射线偏振光转化为圆偏振光反射，同时在高频率波段(2100波数-2300波数)具有半波片功能，并将入射x方向线偏振光转换为y方向线偏振光反射。

根据该尺寸，我们利用飞秒脉冲双光子激光直写技术在玻璃片上制备出T形结构阵列。具体方法为首先在厚度为170微米的玻璃片衬底上匀涂一层光刻胶(德国Nanoscribe公司IPL光刻胶)并安放在压电陶瓷台上，利用光学显微系统将780纳米波长飞秒激光焦点汇聚在光刻胶内。固定激光焦点位置，通过计算机控制压电陶瓷台的移动，使得激光焦点在光刻胶内的相对位置变化，这样在激光焦点处的光刻胶会发生双光子吸收反应，使得光刻胶的化学性质发生变化，由液态转变成固态。之后将激光直写完毕的样品利用显影液进行显影后得到T形结构阵列。利用磁控溅射在T形结构表面和衬底表面溅射上一层35纳米厚的均匀薄膜。通过调控组成T形结构的方砖的高度和长度，可以在不同频段实现对电磁波振幅相位的不同调控。需要说明的是，上述这个制备方案只是一种优选方案，这个性能的实现获得并不限于这个方案，只要能够制备出满足要求的金属薄膜即可。

图1(c)和(d)是实验制备样品的扫描电镜照片。图1中(e)是对反射光强度的实验测量结果，对于x方向偏振的入射光，R_{xx<\/sub>表示反射光中x方向的振幅分量，R_{yx<\/sub>表示反射光中y方向的振幅分量。对于x方向偏振的入射光，在1500-1950波数的波段内，反射光中x方向和y方向的振幅分量相等，而在2100-2300波数的波段内，x方向偏振的入射光被转换为y方向出射。图1中(f)是对反射光强度和相位的模拟结果，实验结果与模拟结果相符。这表明T形三维超构材料在低频波段具有四分之一波片的功能，而在高频波段具有半波片的功能。}}

实施例2：公开另一种多功能偏振态调控元器件，结合图2中(a)和(b)所示，图2(a)是X形复合结构单元的阵列图，图2(b)是X形复合结构单元的细节图。通过选择合适的结构参数，X形复合结构单元周期为3.6±0.2微米。较高较长方砖结构的高度1.9±0.1微米，长度4.5±0.1微米，两个较矮较短方砖的高度为1.1±0.1微米，长度1.7±0.1微米，两种方砖结构均宽0.3±0.03微米。较高较长方砖和较矮较短方砖之间的缝隙间距为0.27±0.02微米。三个方砖结构以及方砖周围衬底的上表面，都覆盖有连续金属薄膜，金属薄膜厚度为35±5纳米。此时当入射光线偏振方向沿着图2(a)中的x方向，光传播方向为-z方向入射时，X形复合结构将在低频率波段(1400波数-1900波数)具有半波片功能，将入射x方向线偏振光转换为y方向线偏振光反射。在高频率波段(2100波数-2300波数)具有四分之一波片功能，将入射线偏振光转化为圆偏振光反射。图2(a)中X形复合结构单元，这个结构单元的周期重复方向是x方向和y方向。X形复合结构中较长和较短方砖的延伸方向是周期结构的对角线方向，或者说是xy坐标系中的45度和135度方向。

X形复合结构单元样品的制备加工方式和实施例1一致，此处不再赘述。通过调控组成X形复合结构的方砖的高度和长度，可以在不同频段实现电磁波偏振态调节。

图2(c)和(d)是实验制备样品的扫描电镜照片。图2中(e)是对反射光强度的实验测量结果，对于x方向偏振的入射光，在1400-1900波数的波段内，x方向偏振的入射光被转化为y方向出射，而在2100-2300波数的波段内，反射光中x方向和y方向的振幅分量相等。图2中(f)是对反射光强度的模拟结果，实验结果与模拟结果相符。这表明X形复合结构在低频波段具有半波片的功能，而在高频波段具有四分之一波片的功能。

可见，上述两种多功能偏振态调控元器件设计思路基本一致，但是实现了相反的功能组合，这两种复合结构单元构建的光学元器件在高频和低频两个工作波段具有不同的光学功能，即可以在红外波段实现低频四分之一波片高频半波片或者低频半波片高频四分之一波片的功能，使得原来需要两种不同功能的波片在高低频率分别实现的功能仅仅通过一个元器件便可以实现，并且所实现的光学功能具有一定的工作带宽。

需要说明的是，上述实施例中，两种方砖结构的间隙、高度差异、长度差异都是必须的。其中的间隙，是为了保证它们在电磁波入射激发下所产生的振荡响应模式都是偶极子振荡模式。如果间隙消失，结构连通在一起，那么连通的结构作为一个整体就不再是偶极子振荡模式。其中，长度差异是为了保证两种结构分别工作(振荡频率)在高低两个频率，因为偶极子的振荡频率和偶极子的长度相关，只需要控制长度便可以灵活地选择结构的工作频率。其中，高度差异的作用有两个，一个是选择合适的高度，根据镜像原理和相位共轭原理可以实现一定的宽带性质，另一方面是在高度上增加了两种结构的距离，从而减弱它们之间的耦合效果，从而保证高低频率实现的两种功能互不影响。

还需要注意的是，满足高度差异、长度差异这两个条件，只能说这种三维超构材料可以在高低频率会出现不同的电磁振荡模式，但是产生的电磁振荡模式能不能起到精密的光学调制功能还需要根据需求进一步微调每一个参数。高低和长短的不同，能够保证实现高低频率的两个功能，但不一定就能够作为标准偏振态调节的基本元器件，还需要匹配合适的尺寸参数。而尺寸分布范围则要根据所需要的工作波段进行具体调整，如实施例1和2就给出两种具体调整方案。根据电磁振荡结构的性质，其尺寸参数决定了响应的频率，实施例1中设计的尺寸进行缩放所产生的新结构，在理论上是可用在更加广泛的频率范围内。譬如在中红外工作波段400波数-4000波数范围，我们可以根据实际需要将第一结构和第二结构的长度在1微米到10微米之间进行取值，相应的高度、间隔、周期等参数也根据比例进行缩放并优化。

实施例3：如图3所示，进一步利用不同取向的X形复合结构单元设计了具有特定图案的样品，即将三维X形结构单元作为图像的最小像素单元，周期性排布，形成多个目标图像，然后利用红外焦平面阵列成像系统对该样品进行了不同频率不同偏振设置的光学成像，其结果也进一步证实了我们这类多功能设计的有效性。

图3(a)为将图案“E＝hν”的像素点用不同旋转角度的X形复合结构表示，以第一个字符为基准，四个字符分别由顺时针旋转角度为0°、45°、90°、135°的X形复合结构单元排列而成。需要说明的是，这里的旋转意思是图2(b)中的结构单元绕z轴以结构单元的中心对称点为旋转中心进行旋转，从而图3(b)里面的xy方向都会一起旋转。旋转后的方向对应图3(a)第二排的XSS_{1<\/sub>到XSS_{4<\/sub>。其中，“H”和“h”，“＝”和“v”的角度虽然有差异，但是因为对称性，他们的亮度是没有区别的，只是在进行光偏振旋转的时候，一个是顺时针旋转，一个是逆时针旋转，在高频率得到的圆偏振光一个是左旋圆偏振光，一个是右旋圆偏振光。}}

图3(b)中当入射光为x偏振方向，检偏方向也为x方向时，由于X形复合结构在低频具有半波片的功能，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，可以将x方向偏振的入射光转换为y方向出射，因此在检偏为x方向得到的信号很弱，积分后得到的焦平面阵列图像显示为最暗。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，不会对x方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为x方向的信号很强，焦平面阵列图像显示为最亮。

图3(c)中当入射光为x偏振方向，检偏方向也为x方向时，由于X形复合结构在高频具有四分之一波片的功能，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，可以将x方向偏振的入射光转换为圆偏振光出射，因此在检偏为x方向得到的信号适中，积分后得到的焦平面阵列图像显示为中等亮度。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，不会对x方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为x方向的信号很强，焦平面阵列图像显示为最亮。

图3(d)中当入射光为x偏振方向，检偏方向为y方向时，由于X形复合结构在低频具有半波片的功能，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，可以将x方向偏振的入射光转换为y方向出射，因此在检偏为y方向得到的信号很强，积分后得到的焦平面阵列图像显示为最亮。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，不会对x方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为y方向的信号很弱，焦平面阵列图像显示为最暗。

图3(e)中当入射光为x偏振方向，检偏方向为y方向时，由于X形复合结构在高频具有四分之一波片的功能，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，可以将x方向偏振的入射光转换为圆偏振光出射，因此在检偏为y方向得到的信号适中，积分后得到的焦平面阵列图像显示为中等亮度。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，不会对x方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为y方向的信号很弱，焦平面阵列图像显示为最暗。

图3(f)中当入射光为45°偏振方向，检偏方向也为45°时，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，不会对45°方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为45°方向得到的信号很强，积分后得到的焦平面阵列图像显示为最亮。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，则会将45°方向偏振的入射光转换为圆偏振光出射，因此在检偏为45°方向积分得到的信号适中，焦平面阵列图像显示为中等亮度。

图3(g)中当入射光为45°偏振方向，检偏方向为135°时，对于构成“E”和“h”的X形复合结构而言，不会对45°方向偏振的入射光进行偏振转换，因此在检偏为135°方向得到的信号很弱，积分后得到的焦平面阵列图像显示为最暗。而对于构成“＝”和“ν”的X形复合结构而言，则会将45°方向偏振的入射光转换为圆偏振光出射，因此在检偏为135°方向积分得到的信号适中，焦平面阵列图像显示为中等亮度。

实施例3的实验是入射线偏振光的偏振方向保持固定而旋转X形复合结构，这相当于入射线偏振光以不同的偏振方垂直向入射到X形复合结构之上，当然，保持X形复合结构固定，旋转入射线偏振光的偏振方向也是同样的道理。焦平面成像结果证实在较低频率波段和较高频率波段X形复合结构分别实现了半波片和四分之一波片的功能。由此可见，基于这种三维复合结构在不同波段获得不同光学功能的方案还可应用在其它需要高度集成设计的光谱仪和光显示元器件中。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。通过改变结构周期以及结构尺寸，我们可以在不同波段实现类似的多功能波片。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

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