基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

金柯 刘永强 韩俊 杨崇民 王颖辉 王慧娜

(西安应用光学研究所,西安 710065)

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

金柯†刘永强 韩俊 杨崇民 王颖辉 王慧娜

(西安应用光学研究所,西安 710065)

(2017年1月18日收到;2017年5月1日收到修改稿)

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4-4.5µm波段偏振转换率大于60%,在3-5µm光谱范围内的转换对比率大于104.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.

偏振转换,亚波长金属光栅,超材料,纳米块

1 引 言

光学偏振技术在光网络和光信息系统中广泛应用[1,2].中波红外是光偏振技术应用的重要波段,如红外通信、红外预警、红外成像、红外光谱、红外遥感等,所以对中波红外波段的偏振控制就显得十分重要[3,4].光偏振态转换已经是偏振控制的重要内容,目前利用双折射材料制作的波片可以把线偏振光转换成椭圆或圆偏振光[5].此外,利用法拉第磁光效应可以旋转线偏振光的偏振方向,旋转角与磁感应强度和光穿越介质的长度成正比[6].但是这些器件往往尺寸较大,不利于光子集成.

超材料通常指人工周期结构,它具有天然材料所不具备的奇异的电磁特性[7-10].超材料在电磁波偏振态控制和光子集成方面成为非常有潜力的新技术[11,12].利用超材料技术可以使线偏振光的偏振方向旋转已经被证实,而且控制偏振光的性能显著[13].超材料结构包括亚波长微结构阵列,具有亚波长狭缝及微孔阵列的金属膜[14]等.目前人们对超材料偏振转换器进行了广泛研究.Cong等[15]利用三层不同方向的金属光栅实现了90°偏振转换.Huang等[16]利用间隔一定距离的SiN膜和金属膜及其上的矩形孔阵列(矩形孔长轴正交)实现了线偏振光90°偏振转换.Cheng等[17]利用石墨烯超材料设计实现了波段可调的反射偏振转换.Dong等[18]利用H型结构超表面阵列单元实现了GHz波段的线性极化转换圆极化波.Wu等[19]提出了一种阵列方形谐振腔,实现了GHz波段的反射偏振转换.但是这些方法制作工艺复杂、转换效率低、工作带宽窄,限制了实际应用.

本文提出一种基于超材料的阵列结构,在硅基底一面设计长方体硅纳米块阵列,另一面设计亚波长金属光栅,纳米块长轴与金属光栅夹角45°.经过精确的模拟计算,结果表明设计模型实现了90°偏振转换,在中波红外波段具有偏振转换效率高、波段宽的优点.

2 理论模型

图1为研究模型结构,其中图1(a)为模型截面示意图,图1(b)为纳米块阵列示意图.模型分三层：上层为长方体硅纳米块阵列,纳米块高3µm,长1µm,宽0.4µm,纳米块阵列周期为1µm;中间层为硅基底;下层为金属光栅,光栅材料为金,周期0.5µm,厚度0.6µm,占空比0.4,金属光栅栅条与纳米块长轴夹角为45°.入射光为X轴方向偏振的线偏振光,入射方向沿-Z轴方向.本文采用时域有限差分(FDTD)法模拟,由于阵列的周期结构,计算时Z轴方向采用完全匹配层截断电磁场,X轴,Y轴方向采用周期边界条件.硅的相对介电常数为11.56,金的色散采用Drude模型,,其中等离子体频率ωp为1.38×1016rad/s,自由电子平均碰撞时间τ为33 fs[20].

图1 偏振转换模型Fig.1.Structure of polarization transform ation.

由(2)式可以看出仅当δ=π及θ=π/4时等式成立,此时光偏振方向从平行于X轴的偏振方向完全转换成平行于Y轴的偏振方向,说明入射线偏振光实现了90°偏振转换.所以这就是本文设计模型中X轴与纳米块长轴夹角为45°的原因.

图2 入射光的纳米块长轴和短轴分量示意图Fig.2. Schem atic of com ponents along long-and short-axis.

由于同时满足相位差δ=π的波段非常窄,这样其他频率的光只有部分实现了90°偏振转换.此外,硅折射率在中波红外约3.5,导致硅-空气界面的反射率高达30%.为了提高偏振转换后的透射光对比率及其透过率,我们在基底背面设计了亚波长金属光栅,栅条方向平行于入射偏振光偏振方向.这样经过90°偏振转换的偏振光可以透过金属光栅,偏振方向没有转换的光被反射.我们采用有效介质理论设计金属光栅来提高透过率[21].对于偏振方向垂直光栅的透射光,金属光栅等效薄膜的折射率为,其中, nw为金属折射率,nf为光栅槽介质折射率,f为金属光栅占空比.这样我们按照光学薄膜理论设计合适占空比的金属光栅作为硅的减反射膜层,金属光栅等效薄膜的折射率满足为空气折射率,ns为基底折射率.为了使反射率最小,金属光栅厚度应满足h=λ0/(4n),λ0为中心波长.

3 结果与分析

图3为透射光中不同偏振分量的透过率.Tx为透射光中偏振方向平行于X轴的线偏振光透过率,即偏振方向平行入射光偏振方向时光的透过率;Ty为透射光中偏振方向平行于Y轴的线偏振光透过率,即偏振方向垂直于入射光偏振方向时光的透过率.从图3可明显看出峰值波长3.698µm处透过率达到87%,在3.6-3.9µm波段透过率Ty大于80%, 3.4-4.5µm波段透过率Ty大于60%,3.2-4.8µm波段透过率Ty大于40%.可见采用本文设计的模型结构可以实现宽带、高效的90°偏振转换.从图4可以看出,透射光不同偏振分量透过率Ty和Tx在3-5µm光谱范围内的对比率大于104,说明本文提出的模型结构经90°偏振转换后偏振光的偏振度非常高.

图3 (网刊彩色)透射光中不同偏振分量的透过率Fig.3.(color on line)Transm ission of d iff erent polarization com ponents.

图5为透射光在纳米块长轴和短轴的场分量之间产生的相位差.从图中可以看出相位差δ=π在峰值波长3.698µm处,而且随着波长增加相位差线性下降.这是因为纳米块长轴和短轴方向的等效折射率为定值(忽略硅折射率色散影响),所以在这两个方向的光程差也为定值,在光程差一定时,随着波长增加相位差将减小.

图6(a)为峰值波长3.698µm的入射偏振光电场矢量在纳米块阵列上表面的一个阵列周期内的分布图,图6(b)为峰值波长3.698µm的入射偏振光透过纳米块阵列后的电场矢量在一个阵列周期内的分布图.其中图6(a)的电场矢量分布基本平行于X轴,图6(b)的电场矢量分布基本平行于Y轴.说明入射光的偏振方向旋转了90°,从平行于X轴方向偏振态转换为平行Y轴方向偏振态.

图4 透过率Ty和Tx的对比率Fig.4.Calcu lated transm ission contrast ratio.

图5 纳米块长轴和短轴两个场分量的相位差δFig.5.Transm ittance phase differenceδbetween the two field com ponents.

图6 (网刊彩色)(a)峰值波长时在纳米块上的表面电场矢量分布;(b)峰值波长时透过纳米块后的电场矢量分布Fig.6.(color on line)(a)D istribu tion of electric field vector on the su rface of nanorod at the peak wavelength; (b)d istribu tion of electric field vector through the nanorod at the peak wavelength.

图7为不同硅纳米块高度下的透过率,可见随着纳米块高度增加,峰值波长红移.这是因为纳米块高度增加,满足相位差δ=π的波长随着增大.图8为不同硅纳米块宽度下的透过率,可见随着纳米块宽度增加,峰值波长红移.这表明通过调节纳米块高度及宽度就可以调节偏振转换波段.从图7和图8可以看出,在每条曲线最高透射峰右侧有一个明显的透射谷.这是因为对于硅基底,纳米块阵列可以等效为一层低折射率膜层,当等效层光学厚度满足λ/2整数倍时,透过率为极小值.在其他波长时等效层对基底有增透作用,在满足λ/4奇数倍时为透射极大值.所以透射谷为此处波长满足纳米块等效层光学厚度等于λ/2整数倍所致.

图7 (网刊彩色)不同硅纳米块高度下的透过率Fig.7.(color on line)Transm ission at d iff erent heights of silicon nanorod.

图8 (网刊彩色)不同硅纳米块宽度下的透过率Fig.8.(color on line)Transm ission at d iff erent w id ths of silicon nanorod.

4 结 论

在硅基底两个表面分别设计硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°.通过精确的FDTD模拟计算,结果表明该结构实现了偏振光90°偏振转换,并且这种结构在中波红外区域具有偏振转换效率高、波段宽、对比率高的优点.本文所提结构光学性能优异,制备难度低,对于光传输控制有重要的应用价值.

[1]Zhao H J,Yang S L,Zhang D 2009 Acta Phys.Sin.58 6236(in Chinese)[赵华君,杨守良,张东 2009物理学报58 6236]

[2]Chen J,Yan L S,Pan W,Luo B,Guo Z 2011 Acta Opt. Sin.31 1224001(in Chinese)[陈娟,闫连山,潘炜,罗斌,郭振2011光学学报31 1224001]

[3]Sundaram C M,Prabakaran K,Anbarasan P M,Ra jesh K B,M usthafa A M 2016 Chin.Phys.Lett.33 64203

[4]Dong C,Li B,Li H X,Liu H,Chen M Q,Li D D,Yan C C,Zhang D H 2016 Chin.Phys.Lett.33 74201

[5]W ang P,Shang Y P,Li X,Xu X J 2015 Chin.J.Lasers 42 116002(in Chinese)[王鹏,尚亚萍,李霄,许晓军2015中国激光42 116002]

[6]LiC Z,W u B J 2010 Acta Opt.Sin.30 3153(in Chinese) [李崇真,武保剑2010光学学报30 3153]

[7]Han J F,Cao X Y,Gao J,Li S J,Zhang C 2016 Acta Phys.Sin.65 044201(in Chinese)[韩江枫,曹祥玉,高军,李思佳,张晨2016物理学报65 044201]

[8]W ang G D,Liu M H,Hu X W,Kong L H,Cheng L L, Chen Z Q 2014 Chin.Phys.B 23 017802

[9]Fan Y N,Cheng Y Z,Nie Y,W ang X,Gong R Z 2013 Chin.Phys.B 22 067801

[10]Schu rig D,M ock J J,Justice B J,Cumm er S A,Pend ry J B,Starr A F,Sm ith D R 2006 Science 314 977

[11]Yang H H,Cao X Y,Gao J,Liu T,LiW Q 2013 Acta Phys.Sin.62 064103(in Chinese)[杨欢欢,曹祥玉,高军,刘涛,李文强2013物理学报62 064103]

[12]Li S J,Gao J,Cao X Y,Zhang Z,Zheng Y J,Zhang C 2015 Opt.Express 23 3523

[13]Huang Ch P 2015 Opt.Express 23 251150

[14]Genet C,Ebbesen T W 2007 Nature 445 39

[15]Cong L,CaoW,Zhang X,T ian Z,Han J,Zhang W 2013 Appl.Phys.Lett.103 171107

[16]Huang C P,W ang Q J,Y in X G,Zhang Y,Li J Q,Zhu Y Y 2014 Adv.Opt.M ater.2 723

[17]Cheng H,Chen S Q,Yu P,Li J X,X ie B Y,Li Z C, T ian JG 2013 Appl.Phys.Lett.103 223102

[18]Dong G X,Shi H Y,X ia S,Li W,Zhang A X,Xu Z, W ei X Y 2016 Chin.Phys.B 25 084202

[19]W u J L,Lin B Q,Da X Y 2016 Chin.Phys.B 25 088101

[20]Zhu Z H,Liu K,Xu W,Luo Z,Guo C C,Yang B,M a T,Yuan X D,YeW M 2012 Opt.Lett.37 4008

[21]Liao Y L,Zhao Y 2014 Opt.Quan t.E lectron.46 641

(Received 18 January 2017;revised m anuscript received 1 May 2017)

Middle-wave infrared and broadband polarization conversion based on metamaterial

Jin Ke†Liu Yong-Qiang Han Jun Yang Chong-M in Wang Ying-Hui Wang Hui-Na

(X i’an Institute of App lied Op tics,X i’an 710065,China)

The polarization state is one of the m ost im portant basic properties of the electrom agnetic wave.Researchers have m ade great eff orts to manipulate it.Control of the polarization state of an electrom agnetic wave is a p rom ising promotion for figuring outmany practical engineering problem s in in frared remote sensing,op tical communication and infrared target recognition.In this paper,we propose a w ide-band and high-efficient linear-polarization converter on the basis of them etam aterial,which is com prised of silicon nanorod array and subwavelength m etal grating that can realize a 90°polarization converter of linearly polarized light and is com posed of silicon nanorod array cascade subwavelength m etal grating:on one side of design located is the cuboid silicon nanorod array,on the other side of the design the subwavelength m etallic grating on the silicon substrate,and the angle between silicon nanorod array and subwavelength metal grating is 45°.Because of the deference in geometrical dimension between the long axis and the short axis of the nanorod,results of the equivalent refractive index of the long axis direction and the short axis direction are different, and the anisotropic birefrigent effect is formed.Based on the Jones matrix,the feasibility of polarization converter is described.The polarization converter efficiency and polarization state of the structure are simu lated and analyzed by the finite-difference time-dom ain method.And the variation characteristics of polarization converter transm ittance are simulated under several nanorod with different heights and w idths.In order to im prove the contrast ratio and the transm ission,the effectivem edium theory is used to design them etal grating for im p roving the transm ission.According to the theory of op tical thin fi lm,we design the subwavelength m etal grating with suitab le duty cycle as the antireflection coating.The simulation results show that the structure can realize 90°rotation of linearly polarized light,the polarization converter efficiency is greater than 60%in a spectral range of 3.4-4.5µm and the contrast ratio is greater than 104in a spectral range of 3-5µm.This structure can effectively realize the 90°polarization conversion in the spectral range of medium wave in frared and has the advantages of high conversion efficiency and high contrast ratio. In addition,the range of spectral of polarization conversion can be changed by ad justing the height and w idth of the nanorod.It can be app lied to op tical transm ission control of optical network and optical information system,because of its excellent optical perform ance with the advantages of high polarization conversion efficiency and w ide band in the m id-in frared waveband and low preparation diffi cu lty.

polarization converter,subwavelength metal grating,metamaterial,nanorod

PACS:42.25.Bs,78.20.Bh,42.25.Ja,78.20.Ci DO I:10.7498/aps.66.134201

†通信作者.E-m ail:jinkegoodm an@163.com

PACS:42.25.Bs,78.20.Bh,42.25.Ja,78.20.Ci DO I:10.7498/aps.66.134201

†Corresponding author.E-m ail:jinkegoodm an@163.com