基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器及其制作方法。

背景技术

偏振态是电磁波的重要特征参量之一，在通信、探测、成像等许多实际应用中都非常重要。为了获得所需的偏振态，我们经常需要借助光偏振器件实现不同偏振状态之间的转化。自然光是非偏振光，在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时，不可避免的会损失近一半的非偏振入射光的能量，这时候就要寻找新的材料来减少能量损失。

传统的偏振控制器件常常使用自然界中的高分子聚合物和晶体来制作，但此类材料对于高频段的电磁响应很低，为了实现对偏振光良好的控制效果，偏振控制器件的几何尺寸一般远大于电磁波工作频段的波长，阻碍了偏振调控器件的在未来诸多方面的应用，不能满足通信、成像、光谱技术等方面在太赫兹及可见光波段未来日益迫切的需求。

为解决传统偏振控制器件的缺陷，超材料被投入使用。超材料是一种由亚波长单元周期性排列而构成的人工复合结构/材料，它的电磁特性可以通过结构单元的特定设计来实现人工调控，获得比自然材料更加优异的偏振光非对称转换性能来减少传统光学器件的能量损失，同时具备体积小，易集成的优点，有望替代传统的偏振器件。

现有的关于偏振的超材料分为金属超材料和全电介质超材料，其中金属超材料在太赫兹波段和近红外波段性能较好；在可见光波段，由于金属的欧姆损耗特性，导致其性能较差；而全电介质超材料由于其低损耗特性，在可见光波段应用较多。

目前，在可见光波段的全电介质超材料普遍采用硅材料形成的椭圆柱体结构或单杆结构（即谐振器）和二氧化硅矩形块（即绝缘介质层）的组合，然而由于硅材料本身在波长为540 nm以下的吸收较大，由其制作得到的全电介质偏振调控器对于波长在540 nm以下的光，其能量损失较大。因此，现有全电介质超材料偏振调控器的可见光工作波段基本位于600 nm-760nm之间，无法满足更短波长的使用需求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器及其制作方法，其可以在可见光波段454 nm-469 nm、473 nm-493 nm对正入射的光波实现高偏振转换，扩大了全电介质偏振调控器的适用范围，满足了更短波长的使用需求。

本发明一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器，其技术方案为：包括双杆谐振器和绝缘介质层单体，所述双杆谐振器包括用于将偏振方向沿x轴方向的偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的偏振光或将偏振方向沿y轴方向的偏振光转化为偏振方向沿x轴方向的偏振光的第一谐振器杆和第二谐振器杆，所述双杆谐振器固设于所述绝缘介质层单体顶部，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆与x轴、y轴之间形成45°夹角，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆由磷化硼材料制作而成，所述绝缘介质层单体由二氧化硅材料制作而成；

其中，x轴为绝缘介质层单体宽度方向，y轴为绝缘介质层单体长度方向，第一谐振器杆、第二谐振器杆、绝缘介质层单体厚度为z轴方向。

采用磷化硼材料制作出谐振器杆，且谐振器采用双杆结构，能解决蓝光波段透射率小，偏振转换率低的问题。该全电介质偏振调控器可以在可见光波段（454 nm-469 nm,473 nm-493 nm）对正入射的光波实现高偏振转换（交叉偏振透过率在0.6以上）；在455 nm处，交叉偏振透过率和偏振转换率非别为0.8941和0.9834。减少因为自然光的非偏振性而在通过传统的调控光波偏振的器件如线偏振片时损失掉的大部分能量。同时超材料属于亚波长结构，相对于传统的光学器件来说，可以明显降低器件厚度，具有体积小，易集成的优点，在可见光波段的偏振调控领域具有应用潜力。其中，第一谐振器杆、第二谐振器杆呈45度角分布时，能保证偏振转换的带宽最宽（454 nm-469 nm, 473 nm-493 nm）内，偏振转换率最大。

较为优选的，所述绝缘介质层单体为长、宽相等且在350～450 nm内，厚度在180 ~220 nm内的长方体结构。

较为优选的，所述第一谐振器杆和第二谐振器杆为结构相同的长方体结构。第一谐振器杆和第二谐振器杆采用结构相同的长方体结构，在光波照射下，电磁场可在所述全介质超表面单元表面及内部激发米氏谐振。

较为优选的，所述第一谐振器杆）两端分别位于绝缘介质层单体相邻两边的中点位置处，所述第二谐振器杆两端分别位于绝缘介质层单体另外两边的中点位置处。

较为优选的，所述第一谐振器杆与第二谐振器杆之间的距离为190~210 nm。双杆的间距在上述范围内，激发的位移电流强度最大，偏振转换效果最好。

较为优选的，所述第一谐振器杆与第二谐振器杆的厚度为190~210 nm，长度为280~ 300 nm，宽度为38 ~ 45 nm。

较为优选的，所述双杆谐振器和绝缘介质层单体构成的超表面呈周期性分布；

其中，所述绝缘介质层单体沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由绝缘介质层单体构成的绝缘介质层结构；

所述双杆谐振器沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由第一谐振器杆与第二谐振器杆交替衔接而成的杆带结构。

较为优选的，所述杆带结构中，相邻的第一谐振器杆与第二谐振器杆仅在端面边沿处衔接。

本发明一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器的制作方法，其技术方案为，包括：

在SiO2基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出绝缘介质层单体；

在绝缘介质层单体上均匀涂覆指定厚度的光刻胶；

对所述光刻胶表面进行曝光处理，使光刻胶在曝光处形成用于容纳磷化硼的空腔，所述曝光处与第一谐振器杆和第二谐振器杆的设计位置对应；

对光刻胶进行显影和定影操作；

采用电子束蒸发沉积法在光刻胶的空腔内沉积出磷化硼膜；

剥离残留的光刻胶，形成偏振调控器。

较为优选的，还包括：

在光刻胶表面覆盖遮光膜；

在所述遮光膜上切割出形状、位置分别与第一谐振器杆和第二谐振器杆对应的透光口；

在所述遮光膜表面进行曝光处理。

本发明的有益效果为：磷化硼材料形成的双杆结构和二氧化硅矩形块的组合形成的介质超材料的工作波段能达到450 nm，且性能更优。同时，采用双杆结构能够激发更高阶谐振模式和环偶极矩，其具有更优的偏振效果。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图。

图2为本发明第一谐振器杆与第二谐振器杆沿厚度方向的断面示意图。

图3为本发明构成的超材料局部示意图。

图4为超材料偏振调控器x-偏振光正入射时的偏振透射率示意图。

图5为本发明超表面偏振调控器在x-线偏振沿z轴负方向垂直入射时的偏振转换率PCR示意图。

图6为本发明超表面偏振调控器在x-线偏振沿z轴负方向垂直入射时的偏振旋转角ψ, 椭圆角ϕ示意图。

图7为本发明超表面偏振调控器在x-线偏振沿z轴负方向垂直入射时的多级散射分解示意图。

图中：1-双杆谐振器，101-第一谐振器杆，102-第二谐振器杆，2-绝缘介质层单体，3-绝缘介质层结构，4-杆带结构。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1示出了本申请较佳实施例（图1示出了本申请第一实施例）提供的一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器包括双杆谐振器1和绝缘介质层单体2，双杆谐振器1包括用于将偏振方向沿x轴方向的偏振光转化为偏振方向沿y轴方向的偏振光或将偏振方向沿y轴方向的偏振光转化为偏振方向沿x轴方向的偏振光的第一谐振器杆101和第二谐振器杆102，双杆谐振器1固设于绝缘介质层单体2顶部。第一谐振器杆101和第二谐振器杆102平行设置，第一谐振器杆101和第二谐振器杆102与x轴、y轴之间形成45°夹角。第一谐振器杆101和第二谐振器杆102由磷化硼材料制作而成，所述绝缘介质层单体2由二氧化硅材料制作而成。

其中，x轴为绝缘介质层单体2宽度方向，y轴为绝缘介质层单体2长度方向，第一谐振器杆101、第二谐振器杆102、绝缘介质层单体2厚度为z轴方向。

当x线偏振光正入射到双杆谐振器1时，超表面以及玻璃层上被激发出偶极谐振（电谐振，磁谐振）和高阶谐振（环偶谐振），在超表面结构单元的表面以及内部均产生位移电流。当磁谐振对应的环形电流所形成的的等效磁偶极矩与入射光的偏振方向平行时，会发生电磁耦合效应；同理，当环偶谐振对应的反向环形电流所形成的等效环偶极矩与入射光的偏振方向垂直时，也会发生电磁耦合效应；而电磁耦合效应会提高超表面器件的旋光性，能提高超表面器件的偏振转换率；同时对超表面器件的结构参数进行优化扫描，提高器件的阻抗匹配，减少反射率；其交叉偏振透射率也就有了显著的提升。

本结构在蓝光波段（453 nm-466 nm， 474 nm-483 nm），对x-偏振光的交叉偏振透射率达到0.8以上，偏振转换率高达0.8以上。

绝缘介质层单体2为长、宽相等且在350～450 nm内，厚度在180 ~ 220 nm内的长方体结构。当绝缘介质层2的长和宽为上述范围时，超表面的周期谐振频率（工作频率）在蓝光范围内（450~490 nm）。

如图2所示，第一谐振器杆101、第二谐振器杆102均为长方体结构，且两者结构、大小完全相同。双杆谐振器1能在可见光波段处（454 nm-469 nm, 473 nm-493 nm）发生米氏谐振，将沿x轴方向上的偏振光转化为沿y轴方向上的偏振光。

所述第一谐振器杆101两端分别位于绝缘介质层单体2相邻两边的中点位置处，所述第二谐振器杆102两端分别位于绝缘介质层单体2另外两边的中点位置处。

较为优选的，所述第一谐振器杆101与第二谐振器杆102之间的距离为190~210nm。所述第一谐振器杆101与第二谐振器杆102的厚度为190~210 nm，长度为280 ~ 300 nm，宽度为38 ~ 45 nm。对于超表面结构，结构的参数对光的性质调控具有较大的影响，上述的参数值都是通过系统的参数优化扫描所得，在上述的参数范围内，该超表面结构的非对称偏振转换性能最好。双杆的间距在上述范围内，激发的位移电流强度最大，偏振转换效果最好。

如图3所示，所述双杆谐振器1和绝缘介质层单体2构成的超表面呈周期性分布；

其中，所述绝缘介质层单体2沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由绝缘介质层单体2构成的绝缘介质层结构5；

所述双杆谐振器1沿x轴方向和y轴方向周期性分布，形成由第一谐振器杆101与第二谐振器杆102交替衔接而成的杆带结构4。

较为优选的，所述杆带结构4中，相邻的第一谐振器杆101与第二谐振器杆102仅在端面边沿处衔接。

该实施例提供了第一谐振器杆101与第二谐振器杆102一种更优的尺寸参数。其中，第一谐振器杆101与第二谐振器杆102的长度均为284 nm，宽度均为42 nm，厚度均为200nm。在该尺寸参数下，入射光的交叉偏振透过率最大，达到0.6以上。

该实施例提供了一种基于磷化硼材料的全电介质偏振调控器的制作方法，其技术方案为，包括：

步骤1，在SiO2基片上采用电子束蒸发沉积法沉积出绝缘介质层单体2；

步骤2，在绝缘介质层单体2上均匀涂覆指定厚度的光刻胶；

步骤3，对所述光刻胶表面进行曝光处理，使光刻胶在曝光处形成用于容纳磷化硼的空腔，所述曝光处与第一谐振器杆101和第二谐振器杆102的设计位置对应；

步骤4，对光刻胶进行显影和定影操作；其中，显影用于溶解经过电子束曝光后的变性胶，没曝光的光刻胶区域得以保留，定影操作用于清洗残留的显影液；

步骤5，采用电子束蒸发沉积法在光刻胶的空腔内沉积出磷化硼膜；

步骤6，剥离残留的光刻胶，形成偏振调控器。

较为优选的，步骤3还包括：

步骤301，在光刻胶表面覆盖遮光膜；

步骤302，在所述遮光膜上切割出形状、位置分别与第一谐振器杆101和第二谐振器杆102对应的透光口；

步骤303，在所述遮光膜表面进行曝光处理。

如图4所示，t_xx表示x线偏振光偏振入射，透射光中x线偏振光的能量大小，t_yx表示x线偏振光偏振入射，透射光中y线偏振光的能量大小。该附图为偏振方向沿x方向的线偏振光从-z方向正入射时得到的同偏振透射率与交叉偏振透射率谱线图，同偏振透射率t_xx用黑色点划线表示，交叉偏振透射率t_yx用黑色实线来表示。对于x偏振光正入射情况而言，在453 nm至467 nm波长范围内，同偏振透射率t_xx一直小于0.1，交叉偏振透射率t_yx一直大于0.8；并且在455 nm 处，交叉偏振透射率t_yx和同偏振透射率t_xx分别为0.8941和0.0184；同时在473 nm至490 nm波段内，交叉偏振透射率t_yx一直大于0.6；在475 nm处取得峰值为0.893，说明该器件在多个可见光波段的偏振转换能力都好。

如图5所示，其附图为偏振方向沿x 方向的线偏振光从-z方向正入射时得到的偏振转换率谱线图。其中，PCR表示x偏振光入射的偏振转换率，也就是透射光中y偏振光能量大小占透射光总能量的比值。从该附图中可以看出，在波长453 – 464 nm 之间，偏振转换率在0.9以上；在波长450 – 452 nm 之间，偏振转换率达到0.9994，说明透射光中90%以上的光都是我们所需的偏振转换光，说明该器件的偏振转换性能好。

如图6所示，偏振旋转角ψ说明透射光的偏振面相对入射光的偏振面所旋转的角度，当偏振旋转角在90度左右，相当于x,y偏振的相对转换；椭圆角ϕ说明的是透射光的偏振态，如果椭圆角在0度左右，说明透射光为线偏振光。该附图中，在453 nm 处，偏振旋转角ψ为91.14度，椭圆角ϕ为5.24度，说明透射光中基本为沿y方向的线偏振光。

如图7所示，Ip，Im，It分别代表散射能量中电偶极子，磁偶极子和环偶极子所贡献的比例；在波长为450-458 nm之间，环偶极子所贡献的散射比例最大（在450 nm处，达到38%），说明在该波段内，环偶谐振确实存在，并且占据主导地位；在波长为458-490 nm之间，磁偶极子所贡献的散射比例最大（在462 nm和485nm处，达到55%）；在透射谐振峰453nm处，Ip，Im，It分别35.23%，24.32%和20.18%，表明偶极谐振（电谐振，磁谐振）和高阶谐振（环偶谐振）同时存在。

因此，在所研究频段内，入射的x偏振光在通过宽带高透过超材料结构后大部分转换成了y偏振光，入射的x偏振光通过该材料后变成了其交叉偏振态。基于以上分析可知，所提出的宽带高透过超材料结构对于正入射的x线偏振光而言，该结构存在较强的偏振转换，可以将其有效的转换为y偏振光，极大减少了传统偏振器件如波片等在可见光波段所产生的能量损失。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。