本發(fā)明涉及微納光學(xué)器件領(lǐng)域，尤其涉及基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷?/p>

背景技術(shù)：

單向?qū)Рㄆ骷且环N用于電磁波單向傳輸?shù)幕ヒ仔怨鈱W(xué)器件，其在通訊、光電集成，光傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。利用磁致旋光效應(yīng)和晶體的雙折射效應(yīng)是兩種經(jīng)典的實現(xiàn)基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷膬蓚€基本原理。然而受限于自然界中磁致旋光材料和雙折射介質(zhì)的性能，通過這兩種經(jīng)典原理制作的基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷叽巛^大，單向?qū)ǖ男阅芎筒◣Х秶卜浅Ｓ邢?，極大限制了其在目前光集成器件等方向的應(yīng)用。人工結(jié)構(gòu)材料是最近發(fā)展起來的一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)單元的電磁特異性材料，通過控制電磁單元的形貌、尺寸以及單元的排列方式，能夠有效實現(xiàn)對器件的電磁性能的操控。通過這種方式，科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了負(fù)折射率超材料、隱身斗篷、超全息等通過自然介質(zhì)無法實現(xiàn)了一些特殊材料和器件。非互易性電磁器件是人工結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域中非常重要的研究方向之一，目前已經(jīng)發(fā)展出兩類最具特色的實用型非互易性電磁器件：一類是基于光子晶體的非互易性電磁器件。其適用于任意線性偏振光的單向傳輸；另外一類是基于手性超材料的費互易性電磁器件。其適用于圓偏振光的單向傳輸。這些基于人工電磁材料的單向波導(dǎo)器件具有體積小、易于集成化等等優(yōu)點，然而在單向傳輸?shù)男阅苌厦鎱s存在很多缺點。

現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案有：

(1)光隔離器：又稱光單向器，是一種光非互易傳輸?shù)墓饫w無源器件。其利用磁光材料對光偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實現(xiàn)光信號的正向傳輸，同時抑制反向光，即具有不可逆性。根據(jù)光隔離器的偏振特性可將隔離器分為偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型。

(2)光子晶體：光子晶體是一種某些性質(zhì)周期性變化的人造納米結(jié)構(gòu)材料，通常這種材料的電容率(也稱介電常數(shù))呈周期性變化，可以產(chǎn)生“光子帶隙”從而使光的傳播變得可控。光子晶體的實現(xiàn)也是通過有目的的摻雜，使晶體具備控制光傳播的能力。光子帶隙：指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。由于光子晶體禁帶的存在，在其中的光波只能被限制在線缺陷內(nèi)進(jìn)行傳輸。而對磁光光子晶體構(gòu)成的單向波導(dǎo)，由于它的表面模式具有單向傳播的特性，其構(gòu)成的波導(dǎo)即所謂的單向波導(dǎo)。

(3)非對稱傳輸：三維手性材料顯示出圓雙折射和圓二向色性，而平面各向異性手性材料顯示出圓轉(zhuǎn)換二向色性。對于三維手性材料，圓雙折射特性將旋轉(zhuǎn)入射電磁波的偏振態(tài)，圓二向色性導(dǎo)致右旋、左旋圓偏振光不同的透射率，這兩種現(xiàn)象都與光的傳播方向無關(guān)。對于二維手性材料，圓轉(zhuǎn)換二向色性導(dǎo)致右旋、左旋圓偏振光之間不同的圓轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)光反向通過二維手性材料時，圓轉(zhuǎn)換效率倒置，因此相同旋性的偏振光正反2個方向通過二維手性材料時透過率不同，導(dǎo)致非對稱傳輸。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點：

(1)、傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，無法實現(xiàn)器件的小型化，以及用于現(xiàn)代的集成光子器件當(dāng)中；

(2)、傳統(tǒng)器件的加工工藝流程繁瑣、加工成本昂貴；

(3)、傳統(tǒng)的由人工電磁結(jié)構(gòu)加工而成的器件的工作波段很窄，不適用寬波帶的需求，同時正反向透射率的比值比較??；

(4)、傳統(tǒng)的基于磁致旋光效應(yīng)的器件，對入射電磁波的偏振態(tài)非常敏感。在非理想偏振光的照射下，器件的能量利用效率很低；

(5)、傳統(tǒng)的基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷膽?yīng)用范圍很窄，比如，無法適用于波導(dǎo)、太陽能電池等需要對電磁波進(jìn)行高效耦合輸入的器件當(dāng)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷?，實現(xiàn)光波的非對稱傳輸。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的單向?qū)Рㄆ骷ɑ滓约盎咨现芷谛耘挪嫉膹?fù)合結(jié)構(gòu)；所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)柱和金屬盤，所述金屬盤位于所述介質(zhì)柱的上方；所述金屬盤用于使電磁波產(chǎn)生離子體共振或者聲子共振。

周期性排布的復(fù)合結(jié)構(gòu)會形成光子晶體，可以有選擇的使某個波段的光通過，同時，由于金屬盤能使電磁波產(chǎn)生離子體共振或者聲子共振，會在金屬界面附近產(chǎn)生SPP(表面等離激元極化)，對電磁波的傳輸產(chǎn)生影響，出現(xiàn)對入射電磁波的強(qiáng)烈吸收或者由SPP散射而達(dá)到高增透，由于金屬盤兩側(cè)的介質(zhì)折射率不同，同一波長下激發(fā)SPP的條件也不同，進(jìn)而可以實現(xiàn)電磁波單向?qū)ǖ墓δ?。由于金屬盤間距離會影響SPP的傳播，因而減小排列周期或者增大復(fù)合結(jié)構(gòu)的體積會增加SPP的傳播距離，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的吸收或者增透，而當(dāng)金屬盤周期較大時，由于復(fù)合結(jié)構(gòu)距離較遠(yuǎn)，SPP無法通過電磁場作用向周圍傳播，會產(chǎn)生局域SPP，即LSPR，這也會對入射電磁波產(chǎn)生強(qiáng)吸收或者高增透。

進(jìn)一步的，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)為金字塔結(jié)構(gòu)，即上大下小的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面的形狀為圓形、橢圓形、多邊形、L形、卍形中的任意一種。

進(jìn)一步的，所述金屬盤的材質(zhì)為金、銀、鋁中的任意一種。

進(jìn)一步的，所述基底和/或介質(zhì)柱的材質(zhì)為：介質(zhì)材料、金屬材料、聲子材料、磁性材料中的一種或者多種組合。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的器件體積小，易于小型化，可用于集成光子器件當(dāng)中；通過調(diào)整復(fù)合結(jié)構(gòu)的排列周期，本發(fā)明提供的器件可以在很寬的波帶范圍內(nèi)具有很好的單向?qū)ㄐЧ?；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以采用可塑性很高的有機(jī)材料，結(jié)構(gòu)納米壓印技術(shù)進(jìn)行加工，因此其加工成本低廉、加工效率極高。

附圖說明

圖1是棱臺的空間圖

圖2是棱臺的剖面圖；

圖3是棱臺排列的俯視圖；

圖4是實施例正向和反向的入射率圖。

圖中編號：1為基底，2為復(fù)合結(jié)構(gòu)，21為介質(zhì)柱，22為金屬盤，a為一個周期內(nèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)的排布，T為周期值，T1為正向入射率曲線，T2為背入射率曲線。

具體實施方式

以下通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

實施例是利用人工微結(jié)構(gòu)在電磁波調(diào)控方面的巨大優(yōu)勢，通過采用介質(zhì)柱和金屬盤的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)對電磁波的高效調(diào)控。如圖1、2所示，實施例中介質(zhì)柱和金屬盤的尺寸參數(shù)分別為dx＝dy＝360nm，dz＝480nm，dzz＝80nm，介質(zhì)柱和基底的折射率為1.59，金屬盤上方的空間介質(zhì)為空氣，空氣的折射率取為1。如圖3所示，將復(fù)合結(jié)構(gòu)按周期值T＝600nm進(jìn)行排列，經(jīng)過多種波段的電磁波實驗測試，結(jié)果如圖4所示：實施例在整個可見光范圍內(nèi)具有很好的單向傳輸性能，最大的正向透射率可以達(dá)到90％以上，最小的反向透射率可以達(dá)到10％以；同時，因?qū)嵤├闹芷谥礣＝600nm，因此在600nm左右的波段其非對稱傳輸?shù)男?即正向入射率/背入射率)最大。

實施例中復(fù)合結(jié)構(gòu)為上下橫截面大小相同的立柱結(jié)構(gòu)，實際上復(fù)合結(jié)構(gòu)還可以是上下橫截面大小不同的結(jié)構(gòu)，如圖3所示的金字塔結(jié)構(gòu)。當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)程為金字塔結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，如果介質(zhì)柱的折射率很大(一般2.59以上)，其單向性會顯著提高，電磁波的正向透射率可達(dá)到99.5％以上，反向透射率小于0.025％。但是由于介質(zhì)柱折射率太大，如果基底與介質(zhì)柱折射率差異過大，則容易在介質(zhì)柱內(nèi)部產(chǎn)生F-P腔；如果基底與介質(zhì)柱折射率相等，基底與基底下方的空間介質(zhì)的折射率差異過大，則容易在基底內(nèi)部產(chǎn)生F-P腔。一旦產(chǎn)生F-P腔，光線將會被限制在介質(zhì)柱或者基底內(nèi)部內(nèi)，導(dǎo)致光線無法出來，則本領(lǐng)域技術(shù)人員需要添加其他措施消除F-P腔的產(chǎn)生的條件，可能會增加技術(shù)難度和成本。因此這是一個雙刃劍，我們可以根據(jù)需要，選擇是否將復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)置為金字塔結(jié)構(gòu)。

實施例介質(zhì)柱和金屬盤的橫截面的形狀為正方形。實際上，柱子和金屬盤的橫截面的形狀可以是任意形狀，比如圓形、橢圓形、L型、卍型等等；當(dāng)將圖中的截面為圓形的柱子，改變?yōu)榻孛鏋長型、卍型等手性形狀時，此種單向?qū)Рㄆ骷€同時具備手性效應(yīng)，即具有單向傳輸性能的超手性器件，其將在電磁波偏振態(tài)調(diào)控等相關(guān)領(lǐng)域中取得重要的應(yīng)用前景。

實施例給出的介質(zhì)柱和基底所采用的材料的折射率為1.59，圓盤所采用的的材料為金。實際上，柱子和基底可以為任意的介質(zhì)材料，柱子和基底的材料也可以不相同，基底和/或介質(zhì)柱的材質(zhì)為：介質(zhì)材料、金屬材料、聲子材料、磁性材料中的一種或者多種組合。圓盤的材料可以是金，也可以是銀、鋁等可以提供等離子體共振或者聲子共振的材料即可。

實施例是放在空氣或者真空當(dāng)中，即棱錐周圍的折射率為1。實際上，此種結(jié)構(gòu)也可以放在其它任意介質(zhì)當(dāng)中，適當(dāng)調(diào)整復(fù)合結(jié)構(gòu)的排列周期，以及金屬盤厚度、介質(zhì)柱的折射率等參數(shù)即可。

值得說明的是，本發(fā)明的一個重要特點是光線器件采用二維光柵結(jié)構(gòu)，很容易加工成人工微結(jié)構(gòu)，如實施例在可見光波段的高度只有920nm左右微結(jié)構(gòu)，器件的體積非常小，可以用于集成光子器件當(dāng)中；并且，很小的體積還可以減少器件的加工用料，降低器件的加工成本。

當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面為圓或者正多邊形時，納米結(jié)構(gòu)的棱臺具有四重對稱性，因此本發(fā)明的光學(xué)器件對電磁波的偏振態(tài)不敏感，可適用于任意偏振態(tài)的電磁波；本發(fā)明的光學(xué)器件可以采用可塑性很高的有機(jī)材料，結(jié)構(gòu)納米壓印技術(shù)進(jìn)行加工，因此其加工成本低廉、加工效率極高。

需要指出的是，上面所述只是說明本發(fā)明的一些原理，由于對相同技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是很容易在此基礎(chǔ)上進(jìn)行若干修改和改動的。因此，本說明書并非是要將本發(fā)明局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本發(fā)明所申請的專利范圍。