宽频THz波线偏振转换器：太赫兹表面等离激元应用

基于单层超表面的旋转金属缝结构的线偏振转换器,我们根据非对称性原理,设计了一种分裂双环槽结构(图6-5)的线偏振转换器。

图6-5　分裂双环槽结构示意图

所设计的分裂双环槽结构的参数为L 1=70μm、L 2=15μm、L 3=33μm、L 4=110μm、P=180μm、w=10μm。此时,h=90-L 2-L 3=42μm。我们用水平偏振的THz波垂直透过该分裂双环槽结构的线偏振转换器,得到的透射系数如图6-6(a)所示。

图6-6

已知偏振转换率为

式中,t x为出射波在x方向上的分量;t y为出射波在y方向上的分量。如图6-6中的灰色区域所示,在0.594～1.054 THz偏振转换率不低于90%,且由透射系数曲线可知,t x在0.64 THz和0.98 THz处,出现了两个低谷,通过式(6-22)计算所得的偏振转换率在这两个频点处最高,形成了两个高于90%的峰。

图6-7　E x和E y的电场分布与相位分布

为了研究该宽频的线偏振转换器的深层物理机制,我们对0.64 THz、0.79 THz、0.98 THz三个频点的电场分布进行了分析。如图6-7所示,在0.64 THz处,水平偏振的THz波垂直入射到该分裂双环槽结构表面,同时激发了两个相互垂直的共振模式(E x和E y)。水平方向的振荡产生的电场主要聚集在垂直方向的金属缝内[图6-7(a1)中的黄色环区与黑色环区],且黄色环区与黑色环区的相位明显不同,约相差180°[图6-7(a2)],这表明黄色环区与黑色环区的电场相位反转,即水平方向的电场强度为黄色环区与黑色环区两部分产生的电场强度之差,所以水平方向的电场呈现抑制效应,因而水平方向的透射系数减小。然而,垂直方向的振荡产生的电场主要聚集在水平方向的金属缝内[图6-7(a3)中的白色环区],两个白色环区的电场相位差约为0°,这表明白色环区内的金属缝产生的电场相位相同,即垂直方向的电场强度为两个水平金属缝产生的电场强度之和,所以垂直方向的电场呈现增强效应,因而垂直方向的透射系数增大。通过优化参数,可以完全抑制水平方向的电场,最大限度地增强垂直方向的电场,实现水平偏振转换为垂直偏振的功能。同理,在0.79 THz和0.98 THz处,也是通过抑制水平方向的电场、增强垂直方向的电场的方式实现90°线偏振转换。

由以上宽频的仿真结果我们已经知道,结构尺寸参数对偏振转换的频宽大小起到决定性的作用,为了探究结构的非对称程度对频宽变化的影响,我们对结构的非对称部分(垂直槽的长度和开口的位置等)的尺寸进行参数扫描,通过计算不同结构参数模型的偏振转换率,获得多种频宽的偏振转换器,实现可调谐的线偏振转换。

这里我们以分裂双环槽结构的开口位置为例,通过改变开口的位置来设计频宽可调谐的线偏振转换器。我们在保持开口的长度不变的条件下,将左边的开口的位置逐渐下移,相应地,右边的开口的位置将上移,则左右两个开口的对称度逐渐增大。所设计的不同开口位置的结构如图6-8所示。

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图6-8　所设计的不同开口位置的结构图

图6-9　不同开口位置结构对应的偏振转换率

我们对图6-8所示的四种不同开口位置结构的偏振转换率进行了计算,四种结构对应的偏振转换率如图6-9所示。当该分裂双环槽的开口位置如图6-8(a)所示时,左右两边开口的非对称度最高,此时高于90%的偏振转换率的频宽最宽,约为0.46 THz(0.594～1.054 THz,如图6-9中的黑线所示)。当该分裂双环槽的开口位置如图6-8(b)所示时,此时左边开口的位置相对于图6-8(a)下降了6μm,右边开口的位置相对于图6-8(a)上升了6μm,非对称度降低。因此,90%以上的偏振转换率所对应的频宽变为0.33 THz(0.69～1.02 THz,如图6-9中的红线所示),与图6-8(a)中结构的频宽相比,缩小了0.13 THz。当该分裂双环槽的开口位置如图6-8(c)所示时,左边开口的位置相对于图6-8(b)下降了4μm,右边开口的位置相对于图6-8(b)上升了4μm,非对称度再次降低,频宽进一步缩小。此时,偏振转换率在90%以上的频宽为0.12 THz(0.858～0.978 THz,如图6-9中的蓝线所示),与图6-8(a)中结构的频宽相比,缩小了0.34 THz。当该分裂双环槽的开口位置如图6-8(d)所示时,左边开口的位置相对于图6-8(c)下降了2μm,右边开口的位置相对于图6-8(c)上升了2μm,此时非对称度非常小,偏振转换率在90%以上的频宽进一步缩小,约为0.054 THz(图6-9中的绿线),近似为单频线偏振转换。

根据以上结果分析可知,当我们逐渐降低左边开口的位置时,右边开口的位置将逐渐升高,此时,结构的非对称度减小,偏振转换率在90%以上的频宽也逐渐减小,所以,偏振转换率的频宽大小取决于结构的非对称部分的非对称度。非对称度与结构参数相匹配时,频宽最宽。随着非对称度的减小,频宽逐渐变窄,最后变为单频。当结构的非对称度减小为0时,表示结构左右对称,此时,将不能实现偏振转换。因此,我们可以利用结构的非对称度来进行调谐频宽的设计。

我们加工了这种非对称偏振转换器,样品的光学显微镜图片如图6-10所示。实验测得的透射系数(图6-11)和偏振转换率(图6-12)数据表明,实验测试结果与仿真理论结果基本一致,微小的差别可能是由样品的制备误差和测量误差以及系统的不稳定性造成的。因此,我们通过实验验证了该种基于单层超表面的线偏振转换器在0.594～1.054 THz能实现90°的线偏振转换且偏振转换率高于90%。

图6-10　样品的光学显微镜图片

图6-11　理论与实验透射系数图

图6-12　理论与实验偏振转换率图

上面我们已经获得了基于单层超表面的宽频THz波线偏振转换器。与线偏振转换器相比,圆偏振转换器和线变圆偏振转换器由于在成像和生物探测方面有潜在的应用价值,因而引起了研究者更多的关注。目前,已经利用各种三维的螺旋结构实现了宽频的圆偏振转换器。

综上所述,基于非对称原理,设计出了分裂双环槽结构的宽频THz波线偏振转换器。仿真结果和实验结果表明,该THz波线偏振转换器在0.594～1.054 THz可以实现线偏振转换,并且通过调节结构的非对称度可以获得多种频宽的线偏振转换器,并实现带宽的可调谐。如今,随着THz科学与技术的不断发展和普及,作为THz技术的重要领域之一的THz偏振转换技术,在THz偏振调控中得到广泛应用。THz波线偏振转换器也正朝着器件更薄、频谱宽度更宽、转换效率更高、工作频段可调谐的方向发展。目前所设计的大多数THz波线偏振转换器都只是在固定的结构、固定的波长范围下工作的,且转换效率仍待提高,实现全方位、可调谐、高效、宽频的THz波线偏振转换器还在不断地研究中。可以想象,在不久的将来,将发掘全新的理念和思路来设计和制备尺寸更小、更薄、频谱更宽、偏振转换率更高、可调谐范围更广、功能更强大、性能更优异的THz波线偏振转换器。