一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外波段之间，通常定义在0.1到10THz的频率范围内。随着近年来太赫兹技术的发展，太赫兹功能器件在生化传感、高分辨率雷达和成像以及无线通信等领域展现出很大的应用价值。表面等离子体是一种由导体-电介质界面上自由电子集体震荡产生的特殊电磁模式，与自由空间波相比，表面等离子体波局域在二维平面内传播，因此开发太赫兹表面等离子体器件有助于进一步满足太赫兹系统趋于小型化、低能耗、高效率、片上集成的需求。

金属亚波长微纳结构器件为激发和传输太赫兹表面等离子体波提供了一种可行的途径，但传统的表面等离子体器件往往面临激发效率低、工作带宽窄、难以主动调控等问题。构造金属微结构的渐变分布可以灵活地控制表面波波前，例如，Su等人基于金属柱结构展示了一种工作频率为0.73THz的表面等离子体透镜 [ACS Photonics, 2020, 7(12):3305-3312]，但是结构单元的几何参数和空间位置的需要精准设计和制备。依赖于正交入射偏振态的表面波定向激发方案引起了关注，Xu等人利用开口谐振环对阵列结构在0.75THz处实现了依赖于正交线偏振波或正交圆偏振波激励的非对称表面波激发［Optica,2017, 4(9): 1044-1051］；Wang等人基于Pancharatnam-Berry几何相位机制，设计了一种具有梯度相位分布的表面等离子体器件，在频率为0.4THz时能够对圆偏振激励依赖的表面波定向激发和聚焦[Adv. Sci., 2020, 7(19): 2000982]。然而，这些太赫兹表面等离子体器件只能在单频或窄带范围内工作，宽带激发和传输表面波的器件报道很少。此外，以往的研究只能通过被动地或机械地改变入射偏振态以控制表面波的定向激发，通过外场主动可控的太赫兹表面等离子体器件还鲜有报道。

综上所述，一方面，太赫兹表面等离子体器件结构紧凑，对发展片上集成的太赫兹高速通信、信息处理和传感检测具有重要意义；另一方面，目前报道的太赫兹表面等离子体波器件，难以实现表面波的宽带激发、传输和聚焦；同时还缺少外场主动可调和能量动态分配的机制和方案。因此，急需发展一种具有宽带工作、外场动态可控的太赫兹表面等离子体片上聚焦和能量主动分配器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件，以解决背景技术中表面等离子体波定向激发器件的工作带宽窄、缺乏主动可控的聚焦方案等关键技术问题。

本发明的技术方案为：宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件由结构化的金属层、液晶层和前后两层玻璃衬底构成。结构化的金属层是由在金属薄膜上X-Y二维平面内左右两侧镜像对称分布的同心环形结构构成，每侧结构包括张角相同的环形子结构，其中每圈环形子结构是由角向均匀分布的且取向沿径向的正交孔对单元构成， 同一圈环中具有的正交孔对单元相同，不同环中正交孔对单元不同，保证圆偏振波激励依赖的表面等离子体波在较宽频率范围内被高效激发，并且沿环形的径向方向定向传播，聚焦到环形结构中心附近。各圈环形子结构激发的表面等离子体波传播到环形结构中心的相位差满足2π rad的整数倍，保证相干相长的相位匹配条件，以实现宽带工作。填充在两层玻璃衬底之间的液晶层起到偏振转换和对左右旋圆偏振光能量分配的作用，通过对液晶层施加0~ 12 V/mm可调范围的外电场，动态地调控聚焦表面等离子体波在镜像方向上的两组同心圆环中心附近的能量分配比例。

宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件包括：结构化的金属层（1）、前玻璃衬底（2）、液晶层（3）和后玻璃衬底（4）。结构化的金属层（1）是在离子溅射厚度为h

宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的工作方法是：入射波为沿+45°方向偏振的线偏振波，沿着Z轴入射宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件。当未施加电场时，液晶分子沿着锚定Y轴方向排列，与入射波偏振方向的夹角为+45°，经过液晶层出射波的偏振态转换为左旋圆偏振，激发的表面等离子体波在左侧开口同心环形结构中心处发生强聚焦，而在右侧中心处散焦，表面波的能量主要分布在左侧。随着X方向外加电场的增大，液晶分子长轴在X-Y平面内开始逐渐转向X轴；当施加6V/mm的外加电场时，液晶分子长轴沿+45°方向，液晶层不具有各向异性相位差，不起到偏振变换作用，出射波为线偏振波，在器件左右两侧结构中心附近的聚焦能量相等；当外加电场达到12V/mm时，液晶分子长轴完全沿X轴方向排列，与入射波偏振方向的夹角为-45°，出射波偏振态转换为为右旋圆偏振态，激发的表面等离子体波在右侧开口同心环形结构中心处发生强聚焦，而在左侧中心处散焦，表面波的能量主要分布在右侧；器件在0.35THz~0.60THz宽带工作频段内，左右两侧表面波的能量分配范围为0~20dB。

本发明的有益效果和优点是：

1.宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的矩形金属孔具有多种几何尺寸，分别对应不同表面等离子体激励波长，保证表面波在较宽频率范围内被高效激发。该器件各圈环形子结构的半径满足相干相长的空间相位匹配条件，使器件能够在宽带范围内实现表面等离子体波的激发与聚焦。该器件的工作频段为0.35~0.60THz，相较于以往太赫兹表面等离子体器件，工作带宽得到了显著拓宽。

2.该器件利用左右镜像对称的两组环形结构，选择性地将左右旋圆偏振激励的表面等离子体波分别定向聚焦在左右两侧，较之传统单圆环聚焦或单侧半环聚焦的结构，该器件实现了同一器件对所有偏振分量的高效利用和正交偏振分量在片上的空间分离。

3.该器件集成了液晶层作为主动调控结构，通过外加偏置电场对入射线偏振态起到偏振转换的作用，从而对左右两侧定向聚焦的表面波实现主动开关调制和动态能量分配。

4.该器件工作电压较低、能耗小，对液晶层施加的外电场可调范围为0 ~ 12 V/mm时，器件左右两侧表面等离子体波的能量分配比例的动态调制率最高为20dB。

5.该器件的结构化金属层采用离子溅射和激光直写加工工艺，具有成本较低、损耗低、简单高效等优点。

6.该器件具有主动可调、结构紧凑、片上集成的优点，对发展片上集成的太赫兹高速通信、信息处理和传感检测具有重要意义。

附图说明

图1是宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的三维结构示意图；

图2(a)是结构化金属层的结构示意图；

图2(b)是该器件的侧视图；

图2(c)是环形子结构的结构示意图；

图2(d)是正交孔对单元的结构示意图；

图3(a)是未施加电场时，宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的工作原理图；

图3(b)是在施加6V/mm的外加电场时，宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的工作原理图；

图3(c)是在施加12V/mm的外加电场时，宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的工作原理图；

图4(a)是LCP入射结构化的金属层时，左右两侧同心圆环中心处的近场透射谱；

图4(b)是RCP入射结构化的金属层时，左右两侧同心圆环中心处的近场透射谱；

图5(a)是未施加电场时，该器件左右两侧同心圆环中心处的近场透射谱；

图5(b)是施加6V/mm的外加电场时，该器件左右两侧同心圆环中心处的近场透射谱；

图5(c)是施加12V/mm的外加电场时，该器件左右两侧同心圆环中心处的近场透射谱；

图6(a) - (c)分别是未施加电场时，入射波频率为0.35THz、0.45THz、0.55THz时的表面等离子体近场强度分布；

图6(d) - (f)是施加6V/mm的外加电场时，入射波频率为0.35THz、0.45THz、0.55THz时的表面等离子体近场强度分布；

图6(g) - (i)是施加12V/mm的外加电场时，入射波频率为0.35THz、0.45THz、0.55THz时的表面等离子体近场强度分布；

图中：结构化的金属层（1）、前玻璃衬底（2）、液晶层（3）、后玻璃衬底（4）、同心环形结构（5）、环形子结构（6）、正交孔对单元（7）、矩形孔（8）。

具体实施方式

结合说明书附图，对本发明宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件做详细阐述。需要说明的是，本发明可以以多种不同的具体结构参数实现，包括但不限于下述具体示例。

器件的结构如图1和图2所示，宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件包括：结构化的金属层（1）、前玻璃衬底（2）、液晶层（3）和后玻璃衬底（4）。结构化的金属层是由在厚度h

该器件的基本工作原理如下：亚波长矩形金属孔是基于表面波干涉效应的表面等离子体器件的典型结构。具有较大长宽比的单一矩形金属孔激发的表面等离子体波近似于偶极辐射，当入射波从衬底侧入射时，能够选择性地响应偏振垂直于长边的入射波分量，并在其共振频率附近实现对表面波的高效激发，其表面等离子体近场分布服从二维惠更斯原理[Opt. Express, 2009, 17(20): 17483-17490]:。

其中，

一个正交孔对单元包含一对几何尺寸相同的矩形孔，其旋转角度和相对距离分别具有引入几何相位和传播相位的功能。当这对矩形孔长轴取向角ϕ

其中，

同一圈环形子结构内所有正交孔对单元相同，激发的表面波具有相同的初始相位和传播相位，在对应的工作频率下，沿径向向中心传播的表面波在环形结构中心附近干涉相干相长形成高强度的聚焦光斑，沿径向向外侧发散的表面波由于波前发散而使环形中心的表面波强度弱得多，显示出良好的消光性能。特别的，环形结构的各圈子环由于包含的正交孔对单元不同，各环激发的表面波具有不同的初相，巧妙得利用受环形半径影响的传播相位来补偿初始相位差，使各圈子环激发的表面波在环形结构中心的总相位差在-π/2 ~π/2 rad，基本满足2π rad的整数倍的相干相长相位匹配条件，使该器件实现宽带工作。左右两组同心环形结构完全镜像对称，因此结构化的金属层在宽带工作频段内选择性地将左旋和右旋圆偏振波激励的表面等离子体波分别聚焦在左侧和右侧环形结构中心附近。

液晶层具有偏振转换和对左右旋圆偏振光能量分配的作用。液晶主轴初始锚定方向沿Y轴，当液晶层的总厚度为526μm时，对中心工作频率0.475 THz附近的正交线偏振波具有π/2 rad的各向异性相位差。施加的外加电场沿X轴方向，随着外部电压的增加，液晶主轴方向在X-Y平面内由沿Y轴逐渐转向沿X轴，液晶层各向异性的相移改变，导致液晶层出射波的偏振状态发生改变，从而改变结构化金属层片上表面等离子体波的激发和聚焦情况。当入射波为沿+45°方向偏振的线偏振波时，其偏振态可以表示为：

经过液晶层的偏振转换的出射波，将从衬底侧入射结构化的金属层，此时该入射波的偏振态可表示为：

其中，θ表示液晶主轴与X轴的夹角，当θ=0°时，

因此左旋圆偏振波激发表面波的能量比例为

该器件的工作方法是：图3所示为该器件的工作示意图。入射波为沿+45°偏振的线偏振波，器件工作频率在0.35THz~0.60THz宽带范围内。当未施加电场时，如图3(a)所示，液晶分子沿着初始锚定Y轴方向排列，此时液晶主轴与入射线偏振光偏振方向夹角为+45°，经过液晶层出射波的偏振态转换为左旋圆偏振波，在左侧开口同心环形结构的中心附近发生强聚焦，而右侧中心处散焦，表面波的能量主要分布在左侧。随着X方向外加电场的增大，施加2V/mm的外加电场后，液晶主轴在X-Y平面内开始逐渐向X轴转动。当施加6V/mm的外加电场时，如图3(b)所示，液晶主轴与入射线偏振光偏振方向夹角为0°，出射波为线偏振波，器件左右两侧结构的中心处同时聚焦能量相等的表面波。当外加电场达到12V/mm时，如图3(c)所示，液晶分子完全沿着X轴排列，此时液晶主轴与入射线偏振光偏振方向夹角为-45°，出射波偏振态转换为右旋圆偏振态，表面波的能量主要分布在右侧。该器件的功能参数将在图4到图6具体展示。

图4是结构化金属层在左右两组同心圆环结构中心附近的近场透射谱。当太赫兹波从衬底侧入射无结构化的金属层时，金属层相当于PEC对太赫兹波完全反射，而结构化的金属层上的表面等离子体结构可以耦合入射太赫兹波，激发表面等离子体波在金属上表面传播，因此近场透射谱可以用来描述表面波的近场光谱。用左右两组环形结构中心处表面波的近场强度消光比来评估选择性定向聚焦的效果，计算公式为：

其中，

图5是该器件在施加不同外加电场时左右两侧同心圆环中心附近表面等离子体近场透射谱。对于沿+45°方向偏振的线偏振波入射整体器件的情况，不施加外加电场时，相当于左旋圆偏振波入射结构化金属层；沿X方向施加6V/mm外加电场时，相当于线偏振波入射；沿X方向施加12V/mm外加电场时，相当于右旋圆偏振波入射结构化金属层。此时，在0.35THz~0.60THz频率范围内，对于不施加电场、施加6V/mm 和12V/mm 的外加电场这三种情况，表面波在左侧、在左右两侧和在右侧环形结构中心附近的强度更大，.左右两侧表面波能量分配比例最高为20dB。

图6是在施加不同外加电场和不同工作频率时该器件表面等离子体近场强度分布图。由图6(a)~图6(c)、图6(d)~图6(f)、图6(g)~图6(i)知，该器件分别对于不施加电场、施加6V/mm的外加电场和施加12V/mm的外加电场的情况，在入射波频率为0.35THz、0.45THz、0.55THz时均能够实现表面波在左侧聚焦、在两侧聚焦和在右侧聚焦的功能，证明了该器件集成液晶层作为主动调控层，并通过外加偏置电场对入射偏振态起到转换的作用，对在左右两侧定向传输和聚焦的表面波实现主动开关调制和动态能量分配。

综上所述，该器件通过对结构设计，在0.35THz~0.60THz的宽带工作频段内实现表面等离子体波的片上聚焦，克服了以往表面等离子体器件传输带宽窄，聚集器件缺乏主动调控方案的问题。该器件在表面等离子体结构前端引入大双折射液晶层，起到偏振转换和对左右旋圆偏振波能量分配的作用，在0 ~ 12 V/mm外电场的调控下，液晶层出射波的偏振态从左旋圆偏振逐渐转化为右旋圆偏振，对在左右两侧定向传输和聚焦的表面波实现主动开关调制和动态能量分配，分配比例的动态调制率最高为20dB。该器件的表面等离子体金属结构采用离子溅射和激光直写加工工艺，具有成本较低、损耗低、简单高效等优点；采用液晶用作主动控制材料，具有易于制作、工作于太赫兹频段时具有优异的介电可调性能等优点。这种太赫兹表面等离子体器件具有主动可调、结构紧凑、片上集成的优点，对发展片上集成的太赫兹高速通信、信息处理和传感检测具有重要意义。