專利名稱：光學超偏振器器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該技術(shù)涉及光的偏振，其比通常相關(guān)的吸收性或反射性偏振器具有較小衰減。
背景技術(shù)：
1.技術(shù)領(lǐng)域目前全世界使用的大多液晶器件使用吸收性偏振器，其通過吸收而衰減略高于通 過其中的50%的光。通常它們是Polaroid膜，例如，由沿一個軸線拉伸的浸碘聚合物制成 的膜。2.相關(guān)技術(shù)的描述反射而非吸收紅外光的線柵偏振器(WGP)自20世紀60年代已經(jīng)被描述，如在授 予Sriram等人的美國專利No. 4，512，638中。這樣的器件由在透明襯底上緊密間隔的平行 金屬線的亞波長級(sub-wavelength scale)矩陣組成，以便碰撞線的一種線性極性的光被 反射，而相反線性極性的光透射穿過該襯底。隨著20世紀90年代和21世紀初，納米級光 刻術(shù)的出現(xiàn)，開始能夠生產(chǎn)寬帶線柵偏振器，其能夠偏振并反射所有直到可見波長和紫外 波長，用于高端光學器件、投影LCD視頻顯示器、以及激光技術(shù)，如授予Perkins等人的美國 專利 No. 6，122，103 和 6，288，840 中所描述。近來提出了結(jié)合層狀聚合物分布的布拉格反射器(DBR)與拉伸聚合物偏振器的 特性的低成本反射性偏振器膜。這樣的反射性偏振器用于視頻顯示器，從而通過再捕獲而 非吸收衰減的光來增強亮度，如授予Weber等人的美國專利No. 7，038，745和授予Verrall 等人的美國專利No. 6，099，758所描述。這樣的反射性偏振器可呈現(xiàn)鏡面反射，如在鏡中， 或漫反射，如在白漆涂層中，或這兩者的組合。此外，反射性偏振器可由某些類型的液晶制成。然而，線柵偏振器和拉伸聚合物偏 振器都是線性偏振，這些液晶偏振器(LCP)通常是圓偏振。因此，一圓偏振(即，右手性或 左手性)的光被透射，而相反圓偏振的光被吸收或反射。
各種類型的反射性偏振器是基于液晶的視頻顯示器和熱反射性光學濾光器的部 件。通常，這些是線性而非圓偏振器，因為使用圓偏振器更難以實現(xiàn)高對比率和寬視角。此外，有許多極性(polarity)旋轉(zhuǎn)材料的例子，也就是所謂的“延遲器 (retarder) ”或“波塊(waveblock) ”或“波片(wav印late) ”。在某些情形中，有結(jié)構(gòu)化的器 件，如扭曲向列液晶晶胞或液晶聚合物，但更經(jīng)常地它們僅是雙折射材料，即，呈現(xiàn)方向相 關(guān)的折射率的材料。這樣的器件通常在一定范圍波長上作用，且在該范圍內(nèi)，在光的所有極 性上同等操作，并可逆作用，從而在一個方向穿過的光子可順時針方向旋轉(zhuǎn)，而在相反方向 穿過的光子可逆時針方向旋轉(zhuǎn)。相比，“Faraday旋轉(zhuǎn)器”以非可逆方式旋轉(zhuǎn)光的偏振。換 句話說，在一個方向上穿過Faraday旋轉(zhuǎn)器且然后在其他方向上反射回的光子經(jīng)歷雙重旋 轉(zhuǎn)而非浄零旋轉(zhuǎn)(net-zero rotation)。然而，即使非常有效的Faraday旋轉(zhuǎn)器材料，如鋱 鎵石榴石，要求強磁場和長光程，以便實現(xiàn)有意義的旋轉(zhuǎn)，這使得其對大多應(yīng)用都是不實用 的。存在具有亞波長特征的“超材料(metamaterial) ”或納米結(jié)構(gòu)材料的其他例子， 其與光波以這樣的方式干涉，即超材料的“有效介電常數(shù)”為ε eff，“有效磁導率”為Prff，
且“有效折射率”為Iirff，且因此“波阻抗” ^ = ,P-，這些與制成超材料的物質(zhì)的相應(yīng)量完
全不同。根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)(特別是具有電感和電容性質(zhì)的特征)，這些參數(shù)甚至可同時是負 的——這不會在天然材料中發(fā)生。因此，使用超材料，可以構(gòu)建“違背”經(jīng)典光學“定律”的 器件，包括實現(xiàn)比經(jīng)典衍射極限高得多的分辨率，并延伸近場特征到遠場。然而，超材料通 常僅在ε eff和μ eff具有相同符號時是透射性的，即“雙正”(可替換地，“右手性”或“正指 數(shù)”)和“雙負”(可替換地，“左手性”或“負指數(shù)”)材料一定程度上是透射性的，然而“單 一正”材料是不透光的。這樣的超材料的器件的一個例子是平面微波天線，其基于曲折線 (meander line)或空間填充曲線具有負ε禾口 μ。參見BarbagalIo，S.等人的“Synthesis of novel metamaterials”，第二章(VDM Verlag 2008)。其他示例性超材料基于周期性加載串聯(lián)電容器和分路電感器的透射線 (transmission line)形貌。參見 Iyer, "Negative refraction metamaterials”，第一 章，(Wiley 2005)。該結(jié)構(gòu)使得能夠通過調(diào)整透射線內(nèi)每個周期單位晶胞的電容值和電感 值，來控制ε eff> μ rff、和nrff為正值、負值、或混合值，并且通過調(diào)整單位晶胞的尺寸來調(diào)整 器件工作的波長范圍。一種“等離子體激元納米線復合超材料”被描述為由在介電襯底上 或其內(nèi)分布的金屬納米線段組成，要么隨機要么周期性，且要么單獨地要么成對地。參見 "Negative refraction metamaterials”，第八章，Sarychev 等人(Wiley 2005)。根據(jù)線段 的長度、直徑、密集度、和間隔，對于給定范圍的波長，復合材料的、ff、Peff、和nrff可調(diào)整 為正值、負值、或混合值。由透明介電襯底上金屬線的平面布置所組成的各種平面、對角對稱的“單位晶 胞(unit cell)”或“顆?！被颉叭斯ぴ印?，當將其布置在規(guī)則的兩維陣列中時，得到具有 各種特性(包括在一定波長范圍上的負介電常數(shù))的超材料。參見Padilla，W. J.等人 StJ "Electrically resonant terahertzmetamaterials :Theoretical and experimental investigations”，Physical ReviewB 75,041102 (R) (2007)。這些特性主要取決于單位晶胞 的尺寸和間隔，并其次取決于單位晶胞的形狀。通常，這些單位晶胞的尺寸在其工作的波長
7的六分之一與二十分之一之間?！阹ff和Prff的失配值(S卩，一個參數(shù)接近自由空間的參數(shù)，而另一個具有大的正 值或負值)可通過以不同量移位其電相位和磁相位來旋轉(zhuǎn)光子的極性。因此，該類型的超 材料可用作一種波塊，即將特定波長范圍內(nèi)的光子的極性跨特定距離旋轉(zhuǎn)特定量的器件。 這些效果是頻率相關(guān)的，且可通過設(shè)計設(shè)置各種頻率響應(yīng)。此外，可將超材料設(shè)計為根據(jù)入射光的極性，有效介電常數(shù)、磁導率、和折射率 (因此整個光學特性)不同。這樣的設(shè)計的一個例子是手性平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由透明襯底 上鋁納米線的“魚鱗”圖案組成。參見Fedotov，V. Α.等人的“Asymm etric propagation of electromagnetic wavesthrough a planar chiral structure，，， Physical Review Letters 97,167401, (2006年10月17日)。本質(zhì)上，該結(jié)構(gòu)是線柵偏振器類型，但其反射 和透射圓偏振光，而非線偏振光。因為根據(jù)偏振器被觀察的表面，對于混合的、隨機極性光 (如太陽光)，其手性性質(zhì)不同，該結(jié)構(gòu)具有非對稱透射性的額外特性，即其對一個方向上 通過其中的光比另一個方向上通過的光的更具透射性。另一個例子是雙層超材料，其能夠以類似于延遲器或波片的方式改變(旋轉(zhuǎn))圓 偏振光的方位，但結(jié)構(gòu)薄得多。參見Rogacheva，A.V等人的“Giant gyrotropy due to electromagnetic-field coupling in a bilayered chiralstructure",Physical Review Letters 97，177401 (2006年10月27日)。進一步的例子是平面、手性超材料，其能夠旋 轉(zhuǎn)圓偏振光的方位，其方式是旋轉(zhuǎn)度取決于入射方位。參見Zhang，W.的“Giant optical activity indielectric planar metamaterials with two-dimensional chirality，，， Journal ofOptics A =Pure and Applied optics，8， pp. 878—90 (2006) 。 {S、Li寸ifeft— 器件的實際應(yīng)用。兩者都是手性的且因此是非軸對稱的，這限制了它們的可制造性。此外， 因為它們是手性的，這些結(jié)構(gòu)作用于圓偏振光而非線偏振光，這限制了它們的可制造性。此 外，因為它們是手性的，這些結(jié)構(gòu)作用于圓偏振光而非線偏振光，這限制了它們在器件(如 視頻顯示器和光學限制器)中的潛在的實用性，這是由于上述原因，即，因為使用圓偏振光 更難以實現(xiàn)高對比率和寬視角。包括在本說明書的技術(shù)背景部分中的信息，包括這里引用的任何文獻和其中的任 何描述或討論，是為技術(shù)參考目的而包括在此，而不當作對本發(fā)明范圍限定的主題。

發(fā)明內(nèi)容
上述反射性和吸收性偏振器類型可分類為具有正ε rff、μ rff、和nrff的極性敏感的 超材料，從而一種極性的光可反射或吸收，而另一種極性的光可透射。這里公開的技術(shù)產(chǎn)生 一結(jié)構(gòu)其選擇性地旋轉(zhuǎn)給定極性的光子的極性，同時對相反極性的光子的影響要小的多。在傳統(tǒng)偏振器中，無論是吸收性還是反射性，至少50%的入射光可通過與偏振器 相互作用而衰減。這是因為來自典型光源的入射光由隨機偏振的光子組成。其極性與偏振 器極性平行的光子高度透射穿過偏振器，僅有輕微反射和/或吸收，而垂直極性的光子被 弱透射，且強烈地被反射和/或吸收。因此，在偏振器件中，如液晶視頻顯示器中，器件的總 透射率在其最透明狀態(tài)中通常遠低于50%，且通常低至30%。剩余的光能量再吸收于器件 中且最終作為廢熱耗散。因此，使用傳統(tǒng)偏振器對偏振器件的亮度、能量效率、和總光通量 產(chǎn)生嚴重限制。
假定偏振器約100%有效，這是為了該討論方便、簡化的假設(shè)。應(yīng)該理解的是，較低 效率的偏振器是可能的，且這樣的偏振器對于未偏振的光可具有高于50%的透射率，并且 對失配偏振的光可呈現(xiàn)基本小于100%的阻止(reiection)。當應(yīng)用于視頻顯示器和光學 濾光器時，這樣的偏振器可導致非常低的對比率并因此被認為是不期望的。然而，許多商業(yè) 可用的偏振器可能顯著小于100%的效率。此外，許多偏振器對極性匹配的光子呈現(xiàn)顯著 的阻止，這可導致更低的總透射，即使當偏振效率高時。然而，對于本文獻，我們繼續(xù)簡化假 設(shè)任何類型的吸收性和反射性偏振器約100%有效，而且對于匹配偏振的光子約100%透 射。液晶顯示器和其他偏振光學器件領(lǐng)域的從業(yè)者可能熟悉該假設(shè)。在該框架內(nèi)，這里公開的超材料、或金屬和介電材料的納米級布置具有有效的參 數(shù)￡rff、μ rff、和nrff，其隨入射光的極性改變，從而一種線性極性的光被強烈透射，而垂直 線性極性的光被強烈旋轉(zhuǎn)，從而其極性更接近地匹配被透射光的極性。對于本文獻，最終器 件應(yīng)稱為“超偏振器(metapolarizer) ”。類似于傳統(tǒng)偏振器，超偏振器可僅(或至少主要 地)透射單一極性的光。然而為此，與傳統(tǒng)偏光器不同，超偏振器可不吸收或反射大部分入 射光，以便實現(xiàn)此目的。結(jié)果，對于未偏振或隨機偏振的入射光，超偏振器的總透射率可遠 遠超過50%，且理論極限實際上可接近100%，即使當偏振效率也接近100%時。該技術(shù)可特別但不絕對地用作視頻顯示器、液晶光學快門、以及熱吸收性或熱反 射性光學衰減器(例如，具有溫度相關(guān)的反射率和/或吸收率的窗戶膜)中傳統(tǒng)偏振器的 替代物。該技術(shù)的實施能夠以非手性形式進行，從而避免向偏振光中引入橢圓率，且因此避 免抑制器件(如扭曲向列液晶顯示器)的對比率。對于本文獻，詞“金屬的(metallic) ”是指任何具有高密度導電電子的物質(zhì)、材料、 結(jié)構(gòu)或器件(包括，例如高度摻雜的半導體、或限制在量子井、量子線、或量子點內(nèi)的電子 氣體)，而詞“介電”是指具有低密度或零密度導電電子的任何物質(zhì)、材料、結(jié)構(gòu)或器件。讀 者應(yīng)注意的是，該定義包括自由空間，對于本文獻，其可當作介電介質(zhì)。詞“超材料”應(yīng)指任 何由在介電襯底上或介電介質(zhì)內(nèi)(無論是隨機、周期、或是分形分布的)的金屬或介電特征 構(gòu)造的人工材料，其中特征尺寸大于自然原子并顯著小于材料被設(shè)計對其影響的光波長。 詞“雙折射(birefringent) ”應(yīng)指呈現(xiàn)出折射率隨方向改變的任何材料或結(jié)構(gòu)。于是超偏振器可以是一種超材料結(jié)構(gòu)，其形成極性特定的波塊和極性旋轉(zhuǎn)的(與 吸收性或反射性相對)偏振器。穿過介質(zhì)的一種線性極性的光可不受影響；另一種線性極 性的光可朝向第一極性旋轉(zhuǎn)一定角度。因此，雖然吸收性或反射性偏振器的透射率不超過 50% (除非偏振效率基本小于100% )，超偏振器的透射率能夠接近100%。為實現(xiàn)這一點，超材料可具有如下特征1)對一種極性光透明，即Z11 Z0I ε 11 I ^ I μ ,,|，其中ε u和μ ,,具有相同的符號(除非超材料足夠薄到光學半透明，即使技術(shù)上 不透光)，ε u的虛部小，且Inll接近1.0，并基本小于2.0，因此μ μ ^ μ 0 εμ ε。。換句話說，在I I方向截取的表面部分可類似于純電介質(zhì)，如玻璃。該表面上的任 何電感或電容特征可很遠地隔開，即它們的間隔可顯著超過受影響光的1/4波長。
2)對具有最小吸收或反射的其他極性光高度偏振，即Z±<< 3I ε 丄 I > I μ 丄其中ε ±和μ ±具有相同的符號(除非超材料足夠薄到光學半透明，即使技術(shù)上 不透光)，ε ±的虛部小，且|η± I接近1.0，并小于2.0，因此μ丄=小數(shù)，而ε丄=大數(shù)。換句話說，在丄方向截取的表面部分可類似于高電容性、低電感結(jié)構(gòu)，具有間隔在 1/6波長內(nèi)或更小的特征，從而允許顯著的電容耦合。提供此發(fā)明內(nèi)容是為了引入選擇的簡化形式概念，這些概念進一步在以下具體實 施例中說明。發(fā)明內(nèi)容不是為了指出所要求的主題的關(guān)鍵特征或本質(zhì)特征，也不是為了用 于限制所要求主旨的范圍。本發(fā)明的特征、細節(jié)、實用性、和優(yōu)點的更廣泛的陳述在下面本 發(fā)明各種實施例的書面描述中提供，在附圖中示出，并在所附權(quán)利要求中限定。


請注意，許多圖中密切相關(guān)的元件具有等價的元件標號。圖1源自現(xiàn)有技術(shù)，并且是負指數(shù)微波天線的示意圖。對于低共振頻率，該天線在 小電氣尺寸與寬帶寬之間提供了良好的折衷，伴隨低交叉偏振(即，僅對一種偏振響應(yīng))。 該尺寸可以約為第一共振頻率的七分之一。圖2源自現(xiàn)有技術(shù)，并且是僅包括經(jīng)典部件的損耗型極性旋轉(zhuǎn)偏振器的示意圖。圖3源自現(xiàn)有技術(shù)，并且是四種不同平面超材料單位晶胞的示意圖，這些單位晶 胞能夠呈現(xiàn)出負ε并呈現(xiàn)垂直、水平、和對角對稱性。單位晶胞尺寸可在約七分之一和十 分之一共振波長之間。圖4是四個平面超材料單位晶胞的示意圖，其由圖3中形式修改以便能夠呈現(xiàn)出 負ε并呈現(xiàn)垂直和水平對稱性，但沒有對角對稱性。圖5是在介電襯底上仔細隔開的金屬點的平面陣列形式的金屬偏振器的另一個 示例性實施例的示意圖。圖6是用于超偏振器實施例的平滑線和包括電容性間隙的粗糙線的示意俯視平 面圖。圖7是仔細定尺寸和間隔的線對形式的超偏振器的另一個示例性實施例的示意 俯視平面圖。圖8是圖7中實施例對于垂直偏振的經(jīng)典類天線行為的三維示圖。圖9是圖7中實施例對于水平偏振的經(jīng)典類天線行為的三維示圖。圖10是具有可選電感分路(inductive shunt)的圖7中實施例對于垂直偏振的 經(jīng)典類天線行為的三維示圖。圖11是具有可選電感分路的圖7中實施例對于水平偏振的經(jīng)典類天線行為的三 維示圖。圖12A-D是一系列二維圖，其示出對于光的每種偏振，入射光子的電場和磁場的 有效參數(shù)ε eff> μ eff、和neff。圖13A-13C是一系列二維曲線，其示出理想光源、標準偏振器、和100%效率的超偏振器的性能。圖14是超偏振器的另一個實施例的示意圖，其包括在介電襯底上垂直定向的透 射線單位晶胞。圖15是超偏振器另一個示例性實施例的示意俯視平面圖，其中圖7的線對由單位 晶胞取代，這些單位晶胞呈現(xiàn)出相對垂直軸線的對稱性，但沒有水平或?qū)菍ΨQ性。圖16是超偏振器的另一個示例性實施例的示意圖，其使用由粗糙線段組成的空 間填充曲線天線。圖17是超偏振器另一個示例性實施例的示意圖，其采用兩個或更多層超材料。圖18是超偏振器另一個示例性實施例的示意圖，其中具有亞波長空間頻率的雙 折射材料帶(strip)用于為平行和垂直偏振的光子產(chǎn)生不同的雙折射值。圖19是超偏振器又一個實施例的示意圖，其中形狀雙折射(formbirefringence) 取代雙折射帶中的材料雙折射。圖20是在光間或視頻顯示器像素中，在亮或透射狀態(tài)中示例性使用超偏振器的 示意平面圖。圖21是在光間或視頻顯示器像素中，在暗或非透射狀態(tài)中示例性使用超偏振器 的示意平面圖。
具體實施例方式如這里公開的，具有雙正(DPS)、單負(SNG)、或雙負(DNG)狀態(tài)中有效介電常數(shù)和 磁導率和的超材料能夠以這樣的方式被采用，即介電常數(shù)和磁導率對于不同 極性的光不同。例如，對于一種線極性的入射光，和Prff可以是這樣的，即超材料很大 程度上是透射性的，具有最小的反射、吸收、或相移。對于垂直極性的入射光，^ff和μeff 可以是這樣的，即超材料保持很大程度上是透射性的，具有最小的反射和吸收，但具有改變 光子的電場和磁場的相對相位的基本相移效果，從而光子的極性可旋轉(zhuǎn)。因此，超材料器 件可用作超偏振器，即，離開器件的光可全部或很大程度上為單一極性，但其強度一般大于 入射到器件上的未偏振或隨機偏振光的強度的50%。在理論極限中，器件的透射率可接近 100%。圖 1 源自現(xiàn)有技術(shù)，并且是"Synthesis of Novel Metamater ials" (S. Barbagallo,VDM Verlag,2008)的第二章中公開的負指數(shù)微波天線的示意圖。該結(jié)構(gòu)是平 面“曲折線”或“分形”或“空間填充曲線”微波天線，具有負ε和μ，其主要響應(yīng)一種輻射 偏振，同時對其他偏振影響小。天線對波的電場的影響比對波的磁場的影響大得多。結(jié)果， 雖然該結(jié)構(gòu)要用作天線，且沒有公開、描述、或用作超偏振器，當在自由空間或介電襯底上 電絕緣時，其具有許多對超偏振器理想的屬性。如所描述的，該器件僅在微波頻率中工作。圖2先前示出于授予Powers等人的美國專利申請公開No. 2009/0015902中，并且 是僅包括經(jīng)典光學元件的極性旋轉(zhuǎn)偏振器器件的示例形式的示意圖。該器件可由反射性偏 振器201、鏡202、和消偏器(波塊)203組成。當匹配極性的光撞擊偏振器201時，其可透 射穿過。然而，當相反極性的光撞擊偏振器201時，其能夠以45度角反射到鏡202，鏡也能 夠以45度角反射該光，以便光再次在其原始方向或近似原始方向上傳播。此時，反射光可 穿過永久消偏器203(也稱為延遲器、波塊或波片)，其以特定量(如90度)旋轉(zhuǎn)光的極性。因此，反射光的極性現(xiàn)在匹配透射光的極性。因此，極性旋轉(zhuǎn)偏振器透射約100%的碰撞其 上的光，同時確保所有光具有相同偏振。不幸的是，因為鏡202阻擋直接來自其后的光的透 射，所以類似于標準偏振器，該結(jié)構(gòu)的總體透射率可能不大于50%。圖 3 源自現(xiàn)有技術(shù)(Padilla 等人的 “Electrically resonant terahertzmetamaterials Theoretical and experimental mvesnganons，，，Physical ReviewB 75，041102 (R) (2007))，并且是四種不同平面超材料單位晶胞的示意圖，這些單位 晶胞可呈現(xiàn)垂直、水平、和對角對稱性。Padilla公開了這些單位晶胞可以是高度電容性的， 但可呈現(xiàn)很少或沒有電感，這是由于對稱性。Padilla進一步公開了當單位晶胞尺寸在約七 分之一到十分之一共振波長之間，且間隔在約五分之一到七分之一共振波長之間時，這些 單位晶胞的規(guī)則平面陣列可產(chǎn)生超材料，該超材料在波長稍短于共振波長時具有負ε eff, 且具有可很大程度上不受單位晶胞結(jié)構(gòu)或間隔影響的yeff。因此，即使對于固定陣列間隔 和單位晶胞尺寸，單位晶胞的形狀可改變，以便對于給定范圍的波長產(chǎn)生不同的nrff值，且 因此對于超材料具有不同光學特性。這里示出的這些單位晶胞僅用于示例性目的。而且， Padilla等人公開的超材料等效地作用于所有光偏振，并因此不能夠用作超偏振器。圖4是從圖3中形式修改的四個平面超材料單位晶胞的示意圖。這些單位晶胞能 夠呈現(xiàn)出負ε并可呈現(xiàn)出垂直和水平對稱性，但沒有對角對稱性。這些結(jié)構(gòu)是從Padilla 等人的例子調(diào)整的，且因為它們?nèi)鄙賹菍ΨQ性，所以它們能夠產(chǎn)生非各向同性效果和/ 或極性靈敏或極性特定的效果。對角對稱性的破壞可增加單位晶胞的電感，且因此增加由 這樣的單位晶胞的平面陣列制成的超材料的yrff。因此，甚至對于固定陣列間隔和單位晶 胞尺寸，通過設(shè)計單位晶胞的形狀，μ eff可與ε eff—起調(diào)整，以產(chǎn)生具有特制電磁特性的平 面超材料。所示的這些單位晶胞僅用于示例性目的，而不能當作限制本發(fā)明的范圍。圖5是由介電襯底500上仔細隔開的金屬點501陣列組成的超偏振器的一個實施 例的示意俯視平面圖。總的來說，介電表面上的金屬點可電絕緣并能夠儲存相當數(shù)量多余 的電荷或具有隨時間改變的電荷分布。該布置可使金屬點高度電容性，這可傾向于增加有 效介電常數(shù)的絕對值，并減小或不影響有效磁導率的絕對值。大的介電常數(shù)和小的磁導率 也可產(chǎn)生低阻抗，其可最小化反射率，并對垂直穿過表面的光子的電分量產(chǎn)生的相移比光 子的磁分量大，因此旋轉(zhuǎn)光子的極性。如果這些點是規(guī)則地在對稱柵格中隔開，該效果可同等作用于任何極性的進入光 子。然而，如果這些點改為布置在行和列中，其中列之間的示例性間隔可約為受影響波長的 一半(如，對于可見光譜中間的綠光為275nm)，且一列內(nèi)的點之間的示例性間隔可非常小， 大致為受影響波長的六分之一(或?qū)τ诰G光為92nm)或更小——這些點僅可影響特定入 射極性的入射光子的相位。這些點的直徑可更小，大致為波長的二十分之一(對于綠光為 27. 5nm)，以便它們可覆蓋的面積小于器件總表面積的十分之一，并可因此不是穿過器件的 光衰減的重要因素。當垂直于點陣列的平面?zhèn)鞑サ囊环N線性極性的光子與該結(jié)構(gòu)相互作用時，其可 “看到”較多量的點，且因此為對其電分量高的介電常數(shù)和高的相移。當相反(即，垂直)線 性極性的光子相互作用時，其可“看到”較少量的點，且因此為較小的介電常數(shù)和較小的相 移。該結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)、磁導率、和折射率可都是正的。然而，該結(jié)構(gòu)可通過在每
12列點的上面、下面、或附近設(shè)置可選的連續(xù)線(未示出)，以用作地平面(ground plane)(或 類似透射線中的地線)，或作為電感耦合的實際(literal)來源，來給定一負折射率?？商?換地或額外地，金屬點可由其他類型的超材料單位晶胞來代替，包括但不限于圖3中示出 的示例形式，其可以是垂直地、水平地、和對角地對稱，并可因此本質(zhì)上主要是電容性的。雖 然單位晶胞自身對入射光子的偏振不敏感，但整體結(jié)構(gòu)不同地響應(yīng)于平行和垂直偏振，這 是由于單位晶胞間隔的各向異性。在任一情形中，如圖5所示的實施例中，由于二維陣列中的不對稱性，大量單位晶 胞對一種極性的光旋轉(zhuǎn)可比對另一種極性的光強得多，且因此用作超偏振器。因此，在液晶 視頻顯示器中，例如，該結(jié)構(gòu)可用來減少 50%的偏振器相關(guān)的能量損耗。圖6是一光學器件(如線柵偏振器)中的兩條線的等距視圖。然而，這里示出的 兩個不同線類型是用于示例性目的。當以規(guī)則間隔平行設(shè)置時，大量平滑矩形線602可產(chǎn) 生線柵偏振器，即，反射性線性偏振器，其透射匹配極性的光并反射垂直極性的光。而且，對 于大于線間隔的光波長和對于被反射極性的光子，平滑線602的行為可非常類似于平坦、 固體金屬膜。來自偏振器表面的反射可因此是鏡面的，導致光亮的類鏡外觀。然而，當改為使用具有小尺度和大尺度特征(相對光的波長)的不規(guī)則線604時， 如適當波長和極性的光子所“看到”的，偏振器的“表面”可看起來是不規(guī)則的，而非平滑的； 小尺度和大尺度特征(相對光的波長)兩者都可應(yīng)用。因為鏡面反射通常要求微平滑表面， 而來自不規(guī)則表面的反射通常是漫射性的，因此來自這樣的偏振器的反射光可具有白色或 金屬灰外觀，而非鏡狀外觀。因為一定量的反射幾乎在任何金屬-介電結(jié)構(gòu)(包括超材料) 中都是不可避免的，所以可能期望控制反射的特性。因此，由不規(guī)則線604形成的超材料可 產(chǎn)生漫射而非鏡面反射，這對光學快門、“智能窗”器件、和視頻顯示器中的應(yīng)用是期望的。而且，因為超材料的許多波長相關(guān)的光學參數(shù)可直接或間接與形成超材料所使用 的金屬元件的直徑相關(guān)，且因為不規(guī)則線的直徑隨沿線的位置而改變，超材料的帶寬(即 其響應(yīng)的波長范圍)可通過以不規(guī)則而非規(guī)則的金屬元件形成而加寬。此外，在平滑線602或不規(guī)則線604內(nèi)放置亞波長尺寸的中斷或間隙606，可增加 線604的串聯(lián)電容。因為結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)ε rff與其串聯(lián)電容成比例，且有效磁導率 μ eff與串聯(lián)電容的倒數(shù)成比例，所以這些電容性間隙的放置和尺寸可對最終超材料的光學 特性具有顯著影響。因此，應(yīng)該理解的是，不規(guī)則特征和/或電容性間隙可加入到本文所述 的任何超材料結(jié)構(gòu)中，以微調(diào)其光學特性。圖7是超偏振器的另一個實施例的示意、俯視平面圖，其中由介電襯底700上平行 的成對納米線段701控制有效介電常數(shù)和磁導率。有效介電常數(shù)^ff和有效磁導率μ Eff 主要取決于各納米線段的長度和直徑，各納米線段用作天線且因此對一定共振波長下結(jié)構(gòu) 的電磁響應(yīng)有顯著影響。對于給定的波長λ，約λ/8或更大的線長度，和約6. 875 1的 縱橫比(對于λ = 350nm的紫光，相應(yīng)地長度=44nm，直徑=6. 3nm)會在波長λ或更大 波長下產(chǎn)生強的負介電常數(shù)。然而，對于相同的線長度，Prff的幅度峰值在比λ短約30% 的波長處，且隨著波長增加相對自由空間的介電常數(shù)成漸近線式衰減。與圖5中所示的金 屬點不同，由平行線對701組成的單位晶胞呈現(xiàn)垂直和水平對稱性，但沒有對角對稱性，且 因此可具有顯著的電感和電容。因此，在波長λ下，線對701產(chǎn)生大的負介電常數(shù)和小的負磁導率，該情況已經(jīng)被證明是極性旋轉(zhuǎn)效果。此外，如圖5所示，該實施例的超材料特征在列中隔開，其中一列內(nèi) 的元件的間隔明顯小于這些列自身之間的間隔。因此，一種線性極性的光碰到大量的線對 并因此產(chǎn)生較大旋轉(zhuǎn)，而垂直極性的光碰到少量的線對并因此產(chǎn)生較小旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，一種極 性的光相對其他光被強烈地旋轉(zhuǎn)，即該結(jié)構(gòu)是超偏振器。由線對建立的有效介電常數(shù)和磁導率也強烈依賴于它們的密集度，即給定空間體 積內(nèi)線對的數(shù)量。然而，盡管一對線之間的精確間隔影響其共振特性且因此影響極性旋轉(zhuǎn) 的程度，該器件可容許大范圍的間隔而基本不改變其工作方式。理想值被認為約為λ /9，如 圖所示，但我們不希望局限于該值，因為從λ/20到λ/4的值都表明可以工作，且許多在該 范圍之外的值也被認為產(chǎn)生超偏振效果。有些反直觀的是，超材料的性能可不強烈依賴于介電襯底700上線對701的定向 或“時鐘角(clock angle)”，但如果它們的時鐘角明顯改變，則削弱線的經(jīng)典偏振特性。在 可替換地、功能等價的解釋中，對角對稱結(jié)構(gòu)中電子的共振振動模式也可以是對稱的(即， 所有共振電子平行移動)，然而對于對角不對稱或反對稱單位晶胞，結(jié)構(gòu)的不同部分中的電 子可不對稱地或反對稱地移動。當一條線中電子在一個方向上移動，而鄰近、平行或近似平 行線中電子在相反或近似相反的方向上移動時，該共振對“觀察者”(如，入射光子)“看起 來”像循環(huán)電流，且因此產(chǎn)生能夠改變超材料的Peff的磁場，正如環(huán)繞一單位晶胞的電場可 改變超材料的ε eff。在第三、功能等價的解釋中，兩條平行(或近似平行)線701可形成實際透射線， 且每條線都用作另一條線的地線(ground)，而每端的介電襯底(如，自由空間)用作源和負 載。這些類比是為解釋性目的而提供的，而不應(yīng)該當作限制利用這些超材料原理的超偏振 器器件的任何實施例的范圍。在圖7的實施例中，有效介電常數(shù)ε rff和有效磁導率μ @可主要依賴于各納米線 段的長度和直徑，各納米線段用作透射線且因此在一定共振波長下對超偏振器的電磁響應(yīng) 具有深遠的影響。例如，對于給定波長λ，約λ/8或更大的線長度，和約6. 875 1的縱橫 比(對于λ = 350nm的綠光，相應(yīng)地長度=44nm,以及直徑=6. 3nm)可在波長λ或更大 波長下產(chǎn)生強負介電常數(shù)。然而，對于相同的線長度，Prff的幅度峰值可在比λ短約30% 的波長處，且可隨著波長增加相對自由空間的介電常數(shù)成漸近線式衰減。因此，在波長λ下，線對701可產(chǎn)生大的負介電常數(shù)和小的負磁導率，該情況一部 分已經(jīng)被證明是極性旋轉(zhuǎn)效果。在退化情形中，線對701以對稱周期陣列分布在襯底700上 (如，其中單位晶胞之間的水平間隔與單位晶胞內(nèi)的線之間的間隔相同，且單位晶胞之間的 垂直間隔與單位晶胞內(nèi)的線長度相同)，該效果可同等地應(yīng)用于任一線性極性的光子，且因 此不發(fā)生超偏振效果。然而，如圖5所示，該實施例的超材料特征可在列中隔開，其中一列 內(nèi)元件的間隔顯著小于這些列自身之間的間隔。因此，一種線性極性的光可碰到大量線對 701并因此大旋轉(zhuǎn)，而垂直極性的光可碰到較少數(shù)量的線對并因此旋轉(zhuǎn)較小。結(jié)果，一種極 性的光可相對其他極性的光被強烈地旋轉(zhuǎn)，且因此該結(jié)構(gòu)可用作超偏振器。由線對701建立的有效介電常數(shù)和磁導率也可強烈依賴于線對701的密集度，即 給定空間體積內(nèi)線對701的數(shù)量。然而，盡管一對線701之間的精確間隔影響線對701的 共振特性且因此影響極性旋轉(zhuǎn)的程度，該器件可容許大范圍的間隔而基本不改變其工作方 式。理想值被認為約為λ/9，如圖所示，但我們不希望局限于該值，因為從λ/20到λ/4的值都表明可以工作，且許多在該范圍之外的值也被認為產(chǎn)生超偏振效果。有些反直觀的是，超材料的性能可不強烈依賴于介電襯底700上線對701的定向 或“時鐘角”，但如果它們的時鐘角明顯改變，則削弱線對701的經(jīng)典偏振特性。類似地，超 材料的主要功能可不強烈依賴于一列內(nèi)的線對701之間的垂直間隔，但例外的是，這影響 襯底上線對701的總密集度和引起超偏振器效果的列與行的相對密集度。這些值的變化可 影響每種極性光子旋轉(zhuǎn)的精確量，其中極限是零密集度導致零旋轉(zhuǎn)。如果線對701的密集度大于閾值，且因此一列內(nèi)的線對701的間隔小于閾值，則 線對之間的電容和電感耦合將產(chǎn)生破壞正常功能的干涉，且因此根本改變超材料的電磁響 應(yīng)。圖中所示的λ/8間隔在超偏振器器件的功能范圍內(nèi)，其被認為從λ/0(8卩，無窮大，退 化情形)到約λ/20之間。在退化情形中，一列內(nèi)間隔為零，且這些列之間的間隔等于線對701內(nèi)納米線段 之間的間隔，該器件可成為沒有超偏振效果的經(jīng)典線柵偏振器。可選分路電感器702可加在線對701的線之間，以便增加線對的電感并因此調(diào)整 超材料的^ff和Prff，作為替換，或與改變納米線段的長度、直徑和間隔的組合?？商鎿Q 地，線對701可由其他類型的單位晶胞取代(包括但不限于圖4所示的類型)，其可呈現(xiàn)垂 直和水平對稱性，但沒有對角對稱性。如前面討論，這類單位晶胞的精確形狀可允許對電容 和電感的精確控制，即使當單位晶胞之間的間隔固定時，且因此對超材料的^ff和Peff兩 者都有效果。此外，可通過增加、刪除、或變形每個單位晶胞內(nèi)多種特征而精確調(diào)整超材料的 和Peff，如圖4所示的單位晶胞為例所論證的。因為這些單位晶胞，如線對701 (具有
或沒有分路電感器702)，缺少對角對稱性，所以它們對平行和垂直極性的光子呈現(xiàn)不同響 應(yīng)。因此，對于該實施例，超偏振效果源自單位晶胞間隔中的各向異性和單位晶胞自身內(nèi)的 各向異性兩者。圖8是圖7實施例對于垂直偏振的經(jīng)典類天線行為的三維示圖。但該實施例本質(zhì) 不是天線，且不是為了吸收或發(fā)射大量輻射，而是為了改變穿過其中的輻射行為，在對該結(jié) 構(gòu)應(yīng)用虛擬電壓脈沖并檢查最終發(fā)射方式可得到診斷值。如圖所示，發(fā)射是高度對稱和全 方向的，這表明超材料對該偏振的響應(yīng)強烈，且可不高度依賴于入射角，除了輻射非常近似 平行于結(jié)構(gòu)內(nèi)納米線的地方。圖9是圖7實施例對于水平偏振的經(jīng)典類天線行為的三維示圖。如圖所示，超材 料對于該偏振的理論響應(yīng)可以是零，意味著該偏振的光子可根本不與超材料相互作用。由 于實際器件中的不對準和缺陷，實際響應(yīng)可通常是非零的，但在許多情形中足夠小可忽略。圖10是具有可選電感分路702的圖7實施例對于垂直偏振的經(jīng)典類天線行為的 三維示圖。如圖8所示，響應(yīng)是高度對稱和全方向的，表明超材料對該偏振的響應(yīng)強烈，且 可不高度依賴于入射角。圖11是具有可選電感分路702的圖7實施例對于水平偏振的經(jīng)典類天線行為的 三維示圖。與圖9不同，該配置對于該偏振的響應(yīng)可以是非零的，雖然小。因此，應(yīng)該理解的 是，使用可選電感分路在保持對于某些參數(shù)的潛在優(yōu)勢同時，可在兩個線偏振之間引入“串 音(crosstalk)”(也就是RF天線設(shè)計中的“交叉偏振”)，并因此可減小超偏振器的效率。圖12A-12D是一系列二維圖，其示出在圖7的超材料的性能中，對于光的每種偏
15振，入射光子的電場和磁場的有效參數(shù)、ff、μ@、和nrff。對于兩個垂直方向的每個方向， 波長和有效折射率nrff之間的關(guān)系對于平行和垂直線性偏振的光子是不同的。一種極性經(jīng) 歷大約1. 3的雙折射幅度(birefringence magnitude) Δη(參見圖12D)，然而另一種極性 經(jīng)歷大約1. 5的雙折射幅度(參見圖12Β)。根據(jù)延遲，該情形可描述為每個光子經(jīng)歷的旋 轉(zhuǎn)量的連續(xù)改變、偏振相關(guān)的各向異性。如果任何兩個光子之間的延遲差等于它們的偏振 方位的差，則結(jié)果是“完美的”超偏振器。如果差等于零，則結(jié)果是傳統(tǒng)波片。其間具有多 種程度，同時兩種偏振都被超材料旋轉(zhuǎn)，一種被更強烈地旋轉(zhuǎn)。因此，輸出光子將呈現(xiàn)強偏 振偏向，即使輸入光子是隨機偏振的。換句話說，已經(jīng)發(fā)生超偏振效果。此外，和Prff 的小虛數(shù)值表明該結(jié)構(gòu)最低程度地吸收，且因此高度透射。因此，實現(xiàn)兩個極性之間特定量 的旋轉(zhuǎn)差(如，對于示例性扭曲向列視頻顯示器應(yīng)用的90度)是光子穿過的平面超材料層 數(shù)的函數(shù)。如圖所示，對于入射光子的電分量和磁分量，Iirff可具有不同值，這意味著光子的 極性可旋轉(zhuǎn)，以便根據(jù)Maxwell方程的要求保持光子的電相位和磁相位相隔90度。此外， 對于電分量和磁分量之間nrff的差，垂直偏振要大于水平偏振，這意味著超偏振器器件對一 種極性的旋轉(zhuǎn)可比另一種極性要強烈。實際上，這些圖描述超偏振器旋轉(zhuǎn)一種偏振比另一 種偏振多約15%，且因此增加未偏振或隨機偏振的光的總透射率約7%。因此，超偏振器器 件原則上可以用于，例如減小IXD膝上型顯示屏的能量消耗達約7%。而且，因為該結(jié)構(gòu)的吸收也可非常低(即，其介電常數(shù)和磁導率的虛部可接近 零)，堆疊多層圖7中平面超材料從而產(chǎn)生分級的旋轉(zhuǎn)效果是可行的。換句話說，兩個層可 產(chǎn)生30%的超偏振效果(且因此節(jié)省15%的能量)，六層可產(chǎn)生90%的超偏振效果(且因 此節(jié)省45%的能量)。七個或更多層該特殊超材料可產(chǎn)生接近100%的超偏振(即，節(jié)省 約50%的能量)。然而，可以理解的是，在包含相當數(shù)量不透光、反射性、和半透明材料的器 件中，這類材料的總透射率可由于加入額外層而降低，在某些點(根據(jù)超偏振器的效率和 包括該超偏振器的材料的透射率)，由于加入另外的層導致的透射率損失可超過由于該超 偏振器導致的透射率增益。因此，對將使用的層數(shù)有實際限制?？商鎿Q方法可以是如上所 述，調(diào)整單位晶胞的形狀和間隔，從而產(chǎn)生對于每種極性的每個分量所期望的、ff、Ueff> 和nrff，直到在單個層中實現(xiàn)所期望的超偏振量(如，約100% )。圖13A-13C是一系列為清楚起見的二維曲線，示出了理想的非極性光源，反射性、 吸收性、或漫射性類型的標準光學偏振器，以及截止波長約400nm的100%效率的超偏振器 的行為。如圖所示，標準偏振器對未偏振光僅有約40%的透射率，而超偏振器可接近100% 的透射率。然而，兩個器件都透射單一線性極性的光。因此，對于效率、亮度、電池壽命或總 能通量均重要的偏振應(yīng)用，超偏振器明顯占優(yōu)。圖14是超偏振器的另一個實施例的等距視圖，其中超材料可由實際透射線單位 晶胞組成，這些單位晶胞在介電襯底1400上垂直定向以便它們能夠用作用于以垂直角度 撞擊襯底1400的光的波導。每個單位晶胞由被厚度為d的電介質(zhì)(如，空的空間)隔開的 兩個金屬帶1401組成。根據(jù)其高度和厚度，每個單位晶胞具有特征共振頻率，其具有如上 述的最終超材料的^ff和Peff的已知效果。該實施例的特征尺寸和性能可總體上類似于 圖7中所示的那些，且金屬帶可類似地由可選分路電感器1402結(jié)合。圖15示出超偏振器的另一個實施例，其中圖7的線對可由繞電介質(zhì)間隙1502的伸長的開口環(huán)式諧振器(split-ring resonator) 1501取代。這些結(jié)構(gòu)可允許通過精確調(diào) 整諧振器中兩條線之間的間隔(與等效透射線模型的串聯(lián)電容成比例)，和調(diào)整諧振器長 度(與分路電感成比例)，而更精細地控制超偏振器的和yrff。一般地，該結(jié)構(gòu)比圖 7中實施例更易感應(yīng)，因此必須小心保持電容足夠大到匹配結(jié)構(gòu)的等效阻抗，至少近似達到 自由空間的377歐姆。雖然該結(jié)構(gòu)繞垂直軸線對稱，但該結(jié)構(gòu)不是水平對稱的也不是對角 對稱的，并因此對于電子呈現(xiàn)最小電容，從而在單位晶胞的平行部分中對稱地共振。當然， 共振電子可傾向于反對稱地移動，導致出現(xiàn)循環(huán)電流并因此出現(xiàn)磁場，而無需強電場?？捎纱罅科渌麊挝痪О妫@些單位晶胞可具有此相同的特性，且通常這些單 位晶胞是僅沿一個軸線具有對稱性的單位晶胞，可以但不必須類似于圖4中的單位晶胞， 但某些元件被刪除、移去、或修改以消除繞水平軸線的對稱性。完全不對稱的單位晶胞也是 可能的，但計算上困難和/或難于復制或制造。當超偏振器是由這類高度感應(yīng)的單位晶胞形成時，必須小心保持電容足夠大到匹 配結(jié)構(gòu)的等效阻抗，至少近似達到自由空間的377歐姆。由于對于一種極性的光，該結(jié)構(gòu)的 阻抗增加到遠在自由空間以上，最終阻抗在超材料和自由空間(或其他介電材料)之間的 界面失配，在其周圍引起該極性的高反射系數(shù)。在退化情形中，諧振器無線高，該結(jié)構(gòu)可對 該極性100%反射，同時對垂直極性具有最小的效果，且其可因此用作線柵偏振器，而非超 偏振器。圖16是超偏振器的實施方式的示意圖，其中類似于圖1中所示的負指數(shù)平面天線 被布置在列中。該結(jié)構(gòu)在其效果上類似于圖7和圖15所示的結(jié)構(gòu)，因為各單位晶胞可具有 超偏振效果。水平電容性間隙1601的總長度精確或近似為空間填充結(jié)構(gòu)內(nèi)的垂直電容性 間隙1602的總長度的兩倍。因此，一種極性的光比另一種極性的光看到更高的電容，且因 此，較大的ε和較小的μ，這導致單位晶胞用作如上所述的超偏振器。此外，水平和垂直兩 個方向上的多種特征尺寸可允許超偏振器器件的總工作帶寬比更簡單單位晶胞(如，圖3、 圖4、圖7、和圖14中所示的單位晶胞)更寬。這可類似于分形天線，其可當作不同尺寸的 四分之一波長天線的集合，每個都響應(yīng)于不同中心波長。此外，這些單位晶胞被布置在較大光柵結(jié)構(gòu)中，該光柵結(jié)構(gòu)自身具有偏振效果，即 一種極性的光比另一種極性的光碰到更大數(shù)量的單位晶胞。因此，如同前面的實施例一樣， 一種線性極性的光碰到的ε和μ與其他極性的光顯著不同，且整體結(jié)構(gòu)用作超偏振器。應(yīng) 該指出的是，當該結(jié)構(gòu)用作可見波長的超偏振器時，每個單位晶胞的寬度小于圖1中微波 天線寬度的兩千分之一，即在尺度上與現(xiàn)有技術(shù)使用的結(jié)構(gòu)實質(zhì)不同。該尺寸范圍中的結(jié) 構(gòu)現(xiàn)在僅可用納米技術(shù)方法制造。對于許多應(yīng)用，為了進一步增寬波長響應(yīng)并且還為了漫 射從該結(jié)構(gòu)反射的任何光(如，為了最小化眩光)，也將期望的是，由不規(guī)則納米線而非規(guī) 則納米線形成超偏振器結(jié)構(gòu)。更一般意義上，超材料或天線設(shè)計的普通技術(shù)讀者將理解的是，復雜單位晶胞呈 現(xiàn)分形特性(即，不同尺寸的多個導電段)，其用來增加單位晶胞可響應(yīng)的帶寬。因此，該圖 中所示的單位晶胞可當作“分形的正方形”，且這增加單位晶胞的分形尺寸，同時保持其尺 寸恒定，可傾向于加寬向較短波長的響應(yīng)。圖17示出本發(fā)明的另一個示例性實施例的示意平面圖，其中電介質(zhì)上疊加平面 超材料的兩個獨立層1701和1702。兩超材料1701和1702可以是相同的，或者它們可以是同一實施例中稍微不同的形式，其中特征尺寸已經(jīng)被調(diào)整以響應(yīng)不同波長，或者它們可以 是不同實施例。當光子1703穿過超材料層1701和1702時，基于其在每個超材料層中碰到 的ε和μ，光子可根據(jù)其極性而旋轉(zhuǎn)或不受影響。該結(jié)構(gòu)可以是有用的，例如通過使光子 穿過多層超偏振器而增加特定極性光子的旋轉(zhuǎn)量方面?？商鎿Q地，可利用該多層結(jié)構(gòu)以示 例性形式來建立用作超偏振器的器件，該超偏振器在層1701中用于一種顏色的可見光并 且在層1702中用于另一種顏色，同時剩余可見光譜不受影響?？啥询B任意數(shù)量的超材料層 從而產(chǎn)生超偏振器，該超偏振器在期望波長范圍上工作，例如，為各種波長提供特定偏振。圖18是本發(fā)明進一步實施例的示意圖，其中透明的雙折射材料(通常是電介質(zhì)， 但如果存在符合該描述的金屬，則也可使用)的帶、條，斑紋1801，其與非雙折射間隙1802 交錯，被用來產(chǎn)生超偏振效果。當光子碰到雙折射材料的塊或膜時，其極性旋轉(zhuǎn)量與雙折射 材料的雙折射幅度Δη和厚度d成比例。然而，當單塊雙折射材料膜由帶或條取代(例如， 通過刻蝕或納米壓痕(nanoindenting)膜的部分)時，有效雙折射自身成為偏振相關(guān)的量。 當條的空間頻率顯著小于光的波長時(如，λ/4或更小，但我們不希望限定于此，因為更大 空間頻率可幾乎同樣作用)，且被光子“看到”的該雙折射材料部分是f1;且雙折射材料的介 電常數(shù)是ε2，且非雙折射材料部分(無論是自由空間、空氣、還是某些透明填料材料)是& 且其介電常數(shù)是ε 2，則垂直偏振的光子的有效介電常數(shù)ε ±由下式確定ε 丄=ε ^f2 ε 2且平行偏振的光子的有效介電常數(shù)ε I I由下式確定
1 ft h=
Il1 \z因此，光學各向異性引起不同極性的光子“看到”不同量的雙折射材料，且因此旋 轉(zhuǎn)不同量。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，雙折射材料的直條或線1801可由非直線或以 分形空間填充線取代，而不改變該實施例的基本功能。技術(shù)人員讀者也可觀察到，通過某些限定，該實施例技術(shù)上是光子材料，而非超材 料，因為其不包含導電、共振(即，類天線)元件。然而，對于本文，區(qū)別是學術(shù)性的而非功 能性的，因為該實施例的超偏振效果等效于其他實施例的效果。圖19是從前面實施例衍生的進一步實施例，其中材料的物理雙折射由在非雙折 射材料中的形狀雙折射取代。在該情形中，每個條或帶1801已經(jīng)由更窄的帶1902的集合 1901取代，其呈現(xiàn)根據(jù)上面給出的相同介電常數(shù)關(guān)系的形狀雙折射。如前所述，帶之間的 間隙1902是非雙折射材料，但在該實施例中，有額外要求，即間隙1902被填充以介電材料 (無論固體、液體、氣體、或自由空間)，其具有顯著不同的折射率，因此光子可“看到”與周 圍介質(zhì)不同的條。如前所述，直線可由非直線，包括分形空間填充形狀取代，而不改變該實 施例的基本功能。圖20是本發(fā)明的示例性應(yīng)用的示意圖，其中超偏振器2001是結(jié)合第二標準偏振 器2003和消偏器2002 (波塊)使用的，如在液晶光閘或視頻顯示器像素中。在圖中，匹配 極性的入射光撞擊超偏振器2001并透射通過。相反極性的光撞擊超偏振器2001并被延遲 或旋轉(zhuǎn)，以便其極性匹配超偏振器2001的極性。在該實施方式中，超偏振器2001的偏振輸 出具有與第二偏振器2003相反的偏振。圖20示出該實施例在透射狀態(tài)中的操作然后偏振光進入消偏器2002 (其示例性形式是液晶介質(zhì))，其處于有組織狀態(tài)(如，扭曲向列狀態(tài))且因此用于旋轉(zhuǎn)所有通過其 中的光的極性，因為離開超偏振器的光具有相同的極性，消偏器的旋轉(zhuǎn)匹配第二偏振器或 檢偏器2003的極性，該檢偏器是標準反射性或吸收性偏振器。因為消偏光匹配第二偏振器 2003的極性，因此其透射穿過。所以在該實施例中，該器件在透明狀態(tài)中近似100%透射。圖21是與圖20中相同的示例性應(yīng)用的示意圖，例外的是該實施例示出其不透光 狀態(tài)。在該狀態(tài)中，消偏器2102變?yōu)闊o組織狀態(tài)(即，液晶介質(zhì)的液態(tài)或各向同性狀態(tài)，或 在扭曲向列顯示器中常見的電對準分子狀態(tài))，且不影響通過其中的光的極性。因此，因為 離開超偏振器2101的光與第二偏振器2103的極性相反，約100%的光被吸收或反射回。因 此，該器件約0%透射。雖然這里示出并描述了幾個示例性實施例，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于這些特 定構(gòu)型。可加入可選部件，如涂層、膜、隔片(spacer)、填料、地線、地平面、或機械支撐結(jié)構(gòu)， 從而適應(yīng)特定應(yīng)用或特定制造方法的需要，并且可通過刪除或取代某些部件制造某些實施 例的降級形式。雖然這里示出并描述了超偏振器技術(shù)的幾個示例性實施例，但應(yīng)該理解的 是，本發(fā)明不限于這些特殊構(gòu)型?？杉尤肟蛇x部件，如涂層、膜、隔片、填料、或支撐結(jié)構(gòu)，從 而適應(yīng)特定應(yīng)用或特定制造方法的需要，并且可通過刪除或取代某些部件制造某些實施例 的降級形式，而不偏離本發(fā)明的精神。例如，超材料的線可由不完美導體或半導體形成，或 由這樣的材料(如銅)形成其反射譜包括所考慮波長區(qū)域內(nèi)的相當程度的顏色異常。各個層的精確布置方式可以不同于這里描述的布置方式，并且根據(jù)所選的材料和 波長，不同層可作為單個層、對象、器件、或材料組合，而不改變本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和功能。 例如，這里所述的任何實施例中的任意或所有線或線段可由不規(guī)則線或線段取代，以便增 寬波長響應(yīng)并漫射源自與自由空間或任何其他周圍介質(zhì)的阻抗失配的任何反射。這里公開的超偏振器器件的實施提供了現(xiàn)有技術(shù)中不能實現(xiàn)的優(yōu)點。第一，當結(jié) 合正常吸收性或反射性偏振器使用時，該超偏振器可允許液晶視頻顯示器、光學快門、和熱 反射性或熱吸收性衰減器在透明狀態(tài)中具有接近100%的透射率。第二，超偏振器可用于增 加偏振視頻顯示器的亮度和/或減小功率消耗。第三，超偏振器可用于取代應(yīng)用中的普通 反射性或吸收性偏振器，這些應(yīng)用包括但不限于眼鏡、望遠鏡、顯微鏡、攝像機、傳感器、建 筑材料、視頻顯示器、投影儀、和激光光學器件。第四，超偏振器可用于取代在視頻顯示器和 其他光學應(yīng)用中的傳統(tǒng)波塊，以旋轉(zhuǎn)入射光的極性。所有方向參照詞(如，近端、遠端、上部、下部、向上、向下、左、右、橫向、前、后、頂 部、底部、上面、下面、垂直、水平、對角、順時針、和逆時針)僅用于指示目的，從而輔助讀者 理解本發(fā)明，而不能產(chǎn)生限制，特別是對本發(fā)明的位置、定向、或應(yīng)用產(chǎn)生限制。連接參照詞 (如，附接、耦合、連接、和結(jié)合)應(yīng)寬泛地解讀并可包括在元件集合之間的中間元件和元件 之間的相對運動，除非另外說明。同樣地，連接參照詞并非暗示兩個元件直接連接并相對彼 此固定。示例性附圖僅僅用于解釋目的，且反映在圖中尺寸、位置、順序和相對大小可改變。上面的說明、例子和數(shù)據(jù)提供了本發(fā)明示例性實施例的結(jié)構(gòu)和使用的完整描述。 盡管本發(fā)明的各種實施例已經(jīng)以一定程度特殊性描述，或參照一個或更多單個實施例，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員可對公開的實施例做出各種改變而不偏離本發(fā)明的精神或范圍。具體地， 應(yīng)該理解的是，所述技術(shù)可獨立于個人計算機而被采用。因此考慮了其他實施例。目的在 于，以上描述中所包含的和在附圖中示出的所有內(nèi)容應(yīng)解釋為僅對特殊實施例的說明，而非限制?？刹黄x由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明基本元素的前提下，做出細節(jié)或結(jié)構(gòu)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于偏振光的方法，包括使光穿過對于第一軸線與對于第二軸線具有不同的表觀電容和表觀電感的亞波長特 征的結(jié)構(gòu)，其中，所述光的具有第一極性的部分在所述結(jié)構(gòu)中碰到有效介電常數(shù)和有效磁導率，該有效 介電常數(shù)和該有效磁導率類似于對具有所述第一極性的光沒有顯著影響的自由空間的有 效介電常數(shù)和有效磁導率，以及所述光的具有第二極性的部分在所述結(jié)構(gòu)中碰到大的有效介電常數(shù)和小的有效磁導率，由此所述第二極性的光的電場與所述第二極性的光的磁場成比例地相移，并由此將所 述第二極性旋轉(zhuǎn)地移位到更靠近于所述第一極性定向的第三極性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，由具有所述第二極性的光碰到的有效介電常數(shù) 和有效磁導率均是負值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，由具有所述第二極性的光碰到的有效介電常數(shù) 和有效磁導率均是正值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第三極性基本相當于所述第一極性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括使所述光穿過一系列具有所述亞波長特征 的結(jié)構(gòu)，以便反復旋轉(zhuǎn)地移位所述第二極性到最終輸出極性。
6.一種用于連續(xù)改變?nèi)肷涔庾咏?jīng)歷的延遲量的方法，所述延遲量作為其線性偏振的函 數(shù)，從而任何兩個光子之間的延遲差等于或接近所述兩個光子之間的偏振方位的差，所述 方法包括使第一光子和第二光子穿過對于第一軸線與對于第二軸線具有不同的表觀電容和表 觀電感的亞波長特征的結(jié)構(gòu)，其中，具有第一極性的所述第一光子在所述結(jié)構(gòu)中碰到有效介電常數(shù)和有效磁導率，類似于 對所述第一光子沒有顯著影響的自由空間的有效介電常數(shù)和有效磁導率，以及具有第二極性的所述第二光子在所述結(jié)構(gòu)中碰到大的有效介電常數(shù)和小的有效磁導率，由此所述第二光子的電場與所述第二光子的磁場成比例地相移，并由此將所述第二光 子的第二極性旋轉(zhuǎn)地移位到更靠近于所述第一光子的第一極性定向的第三極性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，由所述第二光子碰到的有效介電常數(shù)和有效磁 導率均是負值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，由所述第二光子碰到的有效介電常數(shù)和有效磁 導率均是正值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第三極性基本相當于所述第一極性。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進一步包括使所述光穿過一系列具有所述亞波長特 征的結(jié)構(gòu)，以便反復旋轉(zhuǎn)地移位所述第二極性到最終輸出極性。
11.一種用于偏振光的器件，包括 介電介質(zhì)；以及支撐在所述介電介質(zhì)上的亞波長導電元件的結(jié)構(gòu)；其中，所述導電元件形成電容性和電感性特征，呈現(xiàn)基于所述特征的大小和定向的有效介電常數(shù)和有效磁導率；所述導電元件軸向地布置在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而第一極性的入射光沿第一軸線碰到的電 容性和電感性特征與第二極性的入射光沿第二軸線碰到的不同；具有所述第一極性的入射光在所述結(jié)構(gòu)中碰到第一有效介電常數(shù)和第一有效磁導率， 類似于對具有所述第一極性的入射光沒有顯著影響的自由空間的有效介電常數(shù)和有效磁 導率；具有所述第二極性的入射光在所述結(jié)構(gòu)中碰到大的第二有效介電常數(shù)和小的第二有 效磁導率；以及所述第二極性的入射光的電場相移，由此將所述第二極性旋轉(zhuǎn)地移位到更靠近于所述 第一極性定向的第三極性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括以一系列行和列布置在所述介電介質(zhì)上的導電點的柵格，其中，在相鄰列中導電點之 間的第一間隔基本上是待偏振的入射光的波長的一半；以及在相鄰行中導電點之間的第二間隔基本上是待偏振的入射光的波長的六分之一；以及 每個所述導電點的直徑基本上是待偏振的入射光的波長的二十分之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其中，所述導電點覆蓋少于所述介電介質(zhì)的總表面 積的十分之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，進一步包括鄰近每列所述導電點設(shè)置的納米級線， 所述納米級線電感耦合所述列中的導電點。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述納米級線是連續(xù)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述納米級線是不連續(xù)的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述納米級線具有不規(guī)則表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括單位晶胞的 陣列，所述單位晶胞沿水平軸線和垂直軸線均是對稱的，但沿對角軸線是不對稱的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中，所述單位晶胞由具有不規(guī)則表面的納米線形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中，所述單位晶胞由不連續(xù)的納米線形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中，所述單位晶胞形成為在所述介電材料上垂直 定向的透射線。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括具有水平電容性間隙和垂直電容性間隙的負指數(shù)平 面天線的列陣列；以及所述水平電容性間隙的總長基本上是所述垂直電容性間隙總長的兩倍。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其中，所述平面天線由具有不規(guī)則表面的納米線形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其中，所述平面天線由不連續(xù)的納米線形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括納米線段的 平行對的陣列，所述納米線段的長度基本上是待偏振的入射光的波長的八分之一，且直徑 相對長度的縱橫比為1 6.875。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括多個分別設(shè) 置在每個所述納米線段的平行對中的納米線段之間的納米線分路電感器段。
27.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件進一步包括透明雙折射 材料的多個帶，所述帶平行布置在所述介電介質(zhì)上并且間隔有基本小于待偏振的入射光的 波長的距離。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的器件，其中，所述距離是待偏振的入射光的波長的四分之一或更小。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的器件，其中，所述介電材料具有與透明雙折射材料的所述 帶顯著不同的折射率，由此所述帶對所述入射光的影響與所述介電介質(zhì)的影響明顯不同。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的器件，其中，透明雙折射材料的所述帶平行布置在所述介 電介質(zhì)上。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的器件，其中，透明雙折射材料的所述帶以分形、空間填充形 狀布置在所述介電介質(zhì)上。
32.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述亞波長導電元件的結(jié)構(gòu)形成負的大第二 有效介電常數(shù)和負的小第二有效磁導率。
33.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，小于50%的所述入射光被所述器件反射。
34.一種用于增加偏振相關(guān)的視頻顯示器和光學快門器件的亮度的方法，包括提供超偏振器以接收入射光，所述超偏振器進一步包括介電介質(zhì)；支撐在所述介電介質(zhì)上的亞波長導電元件的結(jié)構(gòu)；其中，所述導電元件形成電容性和電感性特征，呈現(xiàn)基于所述特征的大小和定向的有效介電 常數(shù)和有效磁導率；所述導電元件軸向地布置在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而第一極性的入射光沿第一軸線碰到的電 容性和電感性特征與第二極性的入射光沿第二軸線碰到的不同；具有所述第一極性的入射光在所述結(jié)構(gòu)中碰到第一有效介電常數(shù)和第一有效磁導率， 類似于對具有所述第一極性的入射光沒有顯著影響的自由空間的有效介電常數(shù)和有效磁 導率；具有所述第二極性的入射光在所述結(jié)構(gòu)中碰到大的第二有效介電常數(shù)和小的第二有 效磁導率；以及所述第二極性的入射光的電場相移，由此將所述第二極性旋轉(zhuǎn)地移位到更靠近于所述 第一極性定向的第三極性；將波塊消偏器布置在一位置中，以接收來自所述超偏振器的所述入射光的輸出，其中， 所述波塊消偏器在透射狀態(tài)時旋轉(zhuǎn)入射光的極性，而在不透光狀態(tài)時對所述入射光的極性 保持中性；將標準偏振器布置在一位置中，以接收來自所述波塊消偏器的所述入射光的輸出，其 中，所述標準偏振器被選擇成在所述透射狀態(tài)時與來自所述波塊消偏器的所述入射光的輸 出的極性匹配，并具有與所述第一極性和所述第三極性基本相反的極性；以及將所述波塊消偏器設(shè)置于所述透射狀態(tài)中。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，進一步包括將所述波塊消偏器交替地設(shè)置于所述不透光狀態(tài)中，以便使所述標準偏振器反射所有的入射光。
全文摘要
一種光學超偏振器器件，該器件偏振光，同時減少與傳統(tǒng)偏振器相關(guān)聯(lián)的吸收性或反射性損耗。該超偏振器器件透射一種極性的光，并旋轉(zhuǎn)另一種極性的光，以便其更接近被透射的極性。結(jié)果，雖然離開超偏振器器件的光被高度偏振，但該器件的總透射率可遠超過50％，并可接近理論極限的100％。
文檔編號G02B5/30GK102124382SQ200980132227
公開日2011年7月13日 申請日期2009年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者威爾·麥卡錫, 樸源長, 理查德·M·鮑爾斯 申請人:雷文布里克有限責任公司