一種基於表面等離激元的相位延遲器的製作方法

2023-05-30 09:33:41 3

專利名稱：一種基於表面等離激元的相位延遲器的製作方法
CN 102928909 A書明說1/2頁一種基於表面等離激元的相位延遲器技術領域
本發明屬於光電技術領域，涉及一種貴金屬納米結構，具體是一種基於表面等離激元的相位延遲器。
背景技術：
在光學元件領域，相位延遲器能對特定偏振方向的光產生附加光程差。最常見的相位延遲器即波片。波片利用的基本原理是材料的雙折射性質，即材料在不同方向上對於光的折射率不同。其中半波波片能夠改變線偏振光的偏振方向，四分之一波片能夠將線偏振光轉變為圓偏振光。此外，液晶相位調製器能實現可調的相位變化。這一系列基本元件已經被廣泛應用於各種光學精密儀器中，用於光譜、光學檢測等領域。
經過對於傳統光相位調製器的文獻檢索發現，最小的相位延遲波片在尺寸上最薄能夠達到幾百微米。而伴隨著集成光學與現代精密加工工藝的飛速進步，片上集成光學器件的尺度也隨之不斷小型化，達到納米尺度。在這一量級上，由於材料本身雙折射特性以及折射率大小的限制，上述有關的設計原理不再能實現，因此目前還沒有能製造出有效的納米級相位延遲元件。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有構想與技術的不足，利用金屬納米結構的光學特性，提出了一種基於表面等離激元的相位延遲器。
本發明解決其技術問題採用的技術方案如下本發明包括透明襯底以及金屬納米顆粒。
所述的透明襯底主要用於支撐金屬納米顆粒，採用各向同性且低色散的光學玻璃，不對入射光起調製作用。
所述的金屬納米顆粒對於入射光起主要的調製作用，金屬納米顆粒的形狀可多種，包括盤狀、球形、棒狀、三角形；每三顆金屬納米顆粒為一組，且每組金屬納米顆粒的形狀為其中一種或其中幾種結構所構成的組合結構，每組金屬納米顆粒之間的邊距大於100 納米，且多組金屬納米顆粒呈周期性陣列分布。通常金屬納米結構被設計為盤型結構，從集成光學與加工工藝方面考慮，盤型結構可通過掩膜，刻蝕，蒸鍍或濺射來實現。
所述金屬納米顆粒的尺寸為亞波長級，其尺寸為直徑50納米，厚度10納米，每組金屬納米顆粒中顆粒與顆粒的邊間距15納米。金屬納米顆粒的尺寸和結構主要影響的是對於入射光調製的相位的大小。
本發明具有的有益效果是本發明利用金屬納米顆粒的光學特性，相比現有元件來說體積大大縮小(厚度幾十納米到幾百納米)，可以在材料界面上完成相位的調製，可以認為是一種二維相位延遲器。這樣的結構易於大規模光學集成，可以作為光學檢測儀器的重要元件。

圖I為本發明整體結構示意圖；圖2為本發明每組金屬納米顆粒的單元示意圖；圖3為本發明的相位延遲譜。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細說明本實施方式案例以本發明提出的基於表面等離激元的相位延遲器為前提，但本發明的保護範圍並不限於下述實施方式與案例。
如圖I所示，一種基於表面等離激元的相位延遲器包括透明襯底I以及金屬納米顆粒。
所述的透明襯底主要用於支撐金屬納米顆粒，採用各向同性且低色散的光學玻璃，不對入射光起調製作用。
所述的金屬納米顆粒對於入射光起主要的調製作用，金屬納米顆粒的形狀可多種，包括盤狀、球形、棒狀、三角形；每三顆金屬納米顆粒為一組，且每組金屬納米顆粒的形狀為其中一種或其中幾種結構所構成的組合結構，每組金屬納米顆粒之間的邊距大於100 納米，且多組金屬納米顆粒呈周期性陣列分布。在圖中，金屬納米結構被設計為盤型結構。 從集成光學與加工工藝方面考慮，盤型結構可通過掩膜，刻蝕，蒸鍍或濺射來實現。
如圖2所示，在每一組金屬納米顆粒中，金屬納米顆粒形狀為盤狀，且材料是金和銀，兩種材料都在可見波段有較強的等離子體共振效應。通過兩種材料顆粒的耦合效應，可在光譜上形成一個相位被調製的窗口，實現特定的相位延遲功能。通過替換金屬納米顆粒的材料，也可選擇性地對於某個波長範圍的光進行相位調製。圖2中所示的金屬納米顆粒的尺寸為直徑50納米，厚度10納米，每組金屬納米顆粒中顆粒與顆粒的邊間距15納米。 金屬納米顆粒的尺寸和結構主要影響的是對於入射光調製的相位的大小，圖中所設計的結構對於目標波長可實現對正交的兩個偏振引起的相位差。且圖中中間的金屬納米顆粒2-2 材料為金，兩邊的金屬納米顆粒2-2材料均為銀。偏振光分量3、偏振光分量4相互正交，併入射到金屬納米顆粒上，然後與金屬納米顆粒在作用時發生等離子體共振，對偏振光分量 3、偏振光分量4產生不同的相位延遲。
如圖3所示是一種特定結構尺寸下的相位調製特性。在短波範圍(<500nm)，該結構基本對於光透明。在長波範圍(590-650nm)，納米結構對於入射光的相位延遲達到，並且形成一個較寬帶的窗口，能夠實現傳統的四分之一波片的功能，可將線偏振光與圓偏振光進行相互轉換。所述金屬納米顆粒的尺寸為亞波長級。
相位延遲器的相位延遲功能由襯底上的金屬納米結構決定。在具體使用中，可以按照需求製造所需的結構。其中可以調整的參數有納米顆粒的形狀、數量、大小、材料、間距等。從而相位差的大小、窗口位置、窗口寬度隨之改變。這樣就實現了基於表面等離激元的相位延遲器。
權利要求
1.一種基於表面等離激元的相位延遲器，包括透明襯底以及金屬納米顆粒；其特徵在於:所述的透明襯底主要用於支撐金屬納米顆粒，採用各向同性且低色散的光學玻璃；所述的金屬納米顆粒對於入射光起主要的調製作用，金屬納米顆粒的形狀可多種，包括盤狀、球形、棒狀、三角形；每三顆金屬納米顆粒為一組，且每組金屬納米顆粒的形狀為其中一種或其中幾種結構所構成的組合結構，每組金屬納米顆粒之間的邊距大於100納米，且多組金屬納米顆粒呈周期性陣列分布； 所述金屬納米顆粒的尺寸為亞波長級，其尺寸為直徑50納米，厚度10納米，每組金屬納米顆粒中顆粒與顆粒的邊間距15納米。
全文摘要
本發明公開了一種基於表面等離激元的相位延遲器，現有關於光學相位調製器的發明與研究多是基於雙折射晶體，液晶等傳統光學器件，這些設計只適用於較大尺度的光學器件，不利於集成化。本發明利用金屬的表面等離激元特性，將相位延遲器縮小到納米量級，並且可以通過改變納米顆粒的尺寸結構，有效地對特定波長的光實現相位延遲。該結構可以被應用到各種光學檢測緊密儀器中。
文檔編號G02B5/30GK102928909SQ201210419568
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者李強, 趙行, 仇旻 申請人:浙江大學