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Breitband-Ultradünne Transmissions-Viertelwellenplatte mit rechteckigem Lochfeld basierend auf plasmonischen Resonanzen

Zusammenfassung

Die Kontrolle der Polarisationszustände von Licht spielt in modernen optischen Systemen eine wichtige Rolle. Herkömmliche Polarisationsmanipulationsvorrichtungen haben jedoch oft eine schmale Bandbreite und ihre große Größe macht es ihnen schwer, eine Miniaturisierung und Integration optischer Systeme zu erreichen. Diese Arbeit präsentiert eine ultradünne Viertelwellenplatte mit einem periodischen 2 × 2 rechteckigen Lochfeld aus Silberfilm mit einer Dicke von weniger als λ/50. Numerische Simulation zeigt, dass die Wellenplatte eine zirkular polarisierte Welle effizient in eine linear polarisierte im Zentrum von 1550 nm umwandeln kann und ihre Bandbreite 525 nm beträgt. Darüber hinaus kann die Viertelwellenplatte die lineare Polarisation effizient in eine zirkulare Polarisation bei 1550 nm umkehren, deren Elliptizität nahe der Einheit liegt. Mit einer Anordnung kleiner Löcher auf einem Metallfilm zur Verbesserung der Transmission kann diese Struktur die Transmission auf 0,44 erhöhen. Die Breitband-Viertelwellenplatte kann in Kommunikationssystemen und Nahinfrarotbandsystemen verwendet und mit anderen optischen Geräten im Nanomaßstab integriert werden, um Polarisationsbetrieb, Detektion und Erfassung zu erreichen.

Einführung

Es besteht ein zunehmendes Interesse an der Manipulation der Polarisation von Licht in einer Vielzahl von optischen Anwendungen, wie beispielsweise Polarisatoren, Wellenplatten und Linsen. Unter diesen sind Wellenplatten wichtige photonische Komponenten, da sie eine spezifische Phasendifferenz wie /2 und einführen können, um unterschiedlich polarisiertes Licht zu erzeugen, um eine Viertel- oder Halbwellenplatte zu erreichen. Das traditionelle Wellenplattendesign verwendet Doppelbrechung von Kristallen, um dem einfallenden Licht unterschiedliche Phasen aufzuerlegen. Allerdings ist der Doppelbrechungseffekt in natürlichen Kristallen sehr schwach, was zu Wellenplatten mit einer Dicke von mehreren hundert Mikrometern führt. Sperrige optische Komponenten leiden oft unter Schwierigkeiten bei der Integration und der Tiefe der Phasenmodulation [1,2,3,4]. In den letzten Jahren hat das Aufkommen der Nanophotonik eine neue Richtung für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie eröffnet. Insbesondere nanophotonische Geräte (Dicke etwa zehn Nanometer) können die Beugungsgrenze ohne elektromagnetische Störungen durchbrechen. Es hat großes Potenzial, die Großgeräte zu ersetzen. Unter ihnen haben nanophotonische Geräte, die auf Metaoberflächen basieren, immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Entwicklung der Metaoberflächentheorie und der Fabrikationstechnologie ermöglicht die Entwicklung von Nanogeräten [5].

Metaoberflächen sind planare Strukturen, die die Polarisation, Phase und Amplitude des Lichts in Reflexion oder Transmission lokal modifizieren und so lithographisch strukturierte flache optische Komponenten mit durch das Design gesteuerten Funktionalitäten ermöglichen. Es hat normalerweise eine Dicke von weniger als der Wellenlänge. Beim Transmissions- oder Reflexionsprozess erzeugen anisotrope Metaoberflächen unterschiedliche Phasen und Amplituden entsprechend den TE- und TM-Wellen, was eine große Flexibilität für das Design funktionaler Metaoberflächen bietet. Wir können dies verwenden, um Linsen, Phasenplatten, Wellenplatten, Polarisatoren, Strahlteiler, Arbiträrvektorstrahlgeneratoren usw. zu entwerfen [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].

Metaoberflächen-Viertelwellenplatten, die auf Plasmonenresonanzen basieren, sind einer der Hotspots der letzten Jahre [18,19,20,21,22,23,24], und die veröffentlichte Literatur auf Zeitachsen weist auf einen kontinuierlichen Fortschritt in diesem Bereich hin. Im Jahr 2011 haben Zhao et al. entwarfen und untersuchten die Leistung eines orthogonalen länglichen Silber-Nanostab-Arrays als Breitband-Viertelwellenplatte. Es kann eine Phasenverschiebung von 90° über eine Dicke von 60 nm einführen [25]. Inspiriert vom Babinet-Prinzip entwarf dieselbe Gruppe im Jahr 2013 eine Viertelwellenplatte aus Nanoschlitzen und erreichte eine zirkular-lineare (CTL) Polarisationsumwandlung im sichtbaren Lichtbereich. Die Dicke der Metallschicht wird auf 40 nm reduziert [26]. Die beiden obigen Designs haben ein Breitband von der CTL-Polarisation. Es ist jedoch schwierig, die gleiche Amplitude von zwei orthogonal polarisierten Strahlen zu erreichen. Kurz nach der bahnbrechenden Arbeit von Zhao et al. im Jahr 2012 haben Roberts et al. schlugen eine Viertelwellenplatte mit einer periodischen Anordnung kreuzförmiger Öffnungen in einem Silberfilm vor. Der Übertragungswirkungsgrad und die Phase (bei fester Armbreite) der Wellenplatte hängen von der Länge des zugehörigen Arms ab. Die Umwandlung von linearer zu zirkularer (LTC) Polarisation wird bei einigen diskreten Wellenlängen von 710 bis 760 nm erreicht, und die Dicke des Silberfilms beträgt 140  nm [27]. Es kann eine LTC-Polarisation gut erreichen, aber die Wellenlänge ist nur auf bestimmte Wellenlängen festgelegt und die Metallschicht ist relativ dick. In ähnlicher Weise haben Yang et al. schlug eine Viertelwellenplatte vor, die aus einer periodischen planaren Anordnung symmetrischer L-förmiger Plasmaantennen besteht. Die Elliptizität des durchgelassenen Lichts kann 0,994 bei 1550 nm erreichen. Die Bandbreite mit einer Elliptizität größer als 0,9 beträgt 80 nm [28]. Die zirkulare Polarisierbarkeit der Wellenplatte ist fast eins, aber ihre Bandbreite ist nicht ideal. Durch sorgfältiges Design der Nanoantennen in den Superuints haben Li et al. erreichte eine Viertelwellenplatte, die aus einem 20 nm dicken Gold-Nanostab-Array besteht. Es kann theoretisch die Umwandlung von CTL-Polarisation und Rücktransformation um 1550 nm realisieren. Die zirkulare Polarisierbarkeit beträgt 0,67 und die Transmissionseffizienz 0,4 [29]. Die ultradünne Struktur kann CTL-Polarisation in einem breiten Band realisieren, aber die Elliptizität (Amplitudenverhältnis) der LTC-Polarisation bei 1550 nm ist gering. Darüber hinaus haben Zhu et al. schlug eine gebrochene rechteckige Annulus-Array-Viertelwellenplatte vor. Es besteht aus zwei Schlitzpaaren mit senkrechter Ausrichtung, die in einen 10 nm dicken Silberfilm eingebettet sind. Es hat eine 120 nm CTL-Polarisationsbandbreite. Außerdem kann die Wellenplatte eine LTC-Transformation mit einer zirkularen Polarisierbarkeit von 0,97 erreichen, und die Übertragungseffizienz beträgt 0,4 bei 1550 nm [30]. Es erreicht eine hohe Polarisationsumwandlung auf Kosten der Bandbreite.

Durch die obigen Beispiele sollte es im Allgemeinen als eine ideale miniaturisierte Viertelwellenlängen-Übertragungsplatte, die im Kommunikationsband verwendet wird, die folgenden Eigenschaften aufweisen:Erstens kann es die Umwandlung von CTL-Polarisation (LTC-Polarisation) in Breitband realisieren. Zweitens kann es die zirkulare Polarisierbarkeit in der Nähe der Einheit bei 1550 nm erreichen. Drittens sollte die Gesamttransmission so hoch wie möglich sein (die maximale Transmission einer ultradünnen Viertelwellenplatte ohne Verlust muss 0,5 betragen, berechnet nach der Oberflächenadmittanztheorie). Viertens sollte es ultradünn und kostengünstig sein. Aber vorerst sind die meisten von ihnen noch theoretisches Design, und es wurden nur wenige Experimente durchgeführt. Da das Verhältnis von Höhe zu Breite zu hoch ist oder die strukturellen Parameter zu fehlerempfindlich sind usw., wird die Leistung der tatsächlichen Viertelwellenplatten beeinträchtigt.

Basierend auf den vier obigen Eigenschaften schlagen wir eine Viertelwellenlängenplatte für die Übertragung vor, die im Kommunikationsband verwendet wird. Die Elementarzelle besteht aus einem 27 nm dicken Silberfilm mit Löchern und einem Siliziumdioxidsubstrat. Das Vierlochdesign vermeidet den Nachteil der schmalen Bandbreite eines einzelnen Resonators. Sie können die lokalisierten Oberflächenplasmonen verstärken, wodurch die Phasenanisotropie erhöht wird, um abrupte Phasenverschiebungen einzuführen, und die Dicke der Metallschicht stark reduzieren. Darüber hinaus kann die Wellenplatte eine Phasendifferenz von 90 ° in einer Bandbreite von 525 nm erreichen. Insbesondere liegt die zirkulare Polarisierbarkeit nahe der Einheit mit der Transmissionseffizienz von 0,44 bei 1550 nm.

Methoden

Fig. 1 zeigt schematisch eine Elementarzelle der vorgeschlagenen plasmonischen Viertelwellenplatte, einen löchergrabenden Silberfilm, der auf einem Siliziumdioxidsubstrat angeordnet ist. Vier rechteckige Öffnungen sind in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet. Die in eine Luftumgebung mit Brechungsindex n . eingetauchte Wellenplatte =1. Das Siliziumdioxid wird als nichtdispersiv angenommen (\({\varepsilon}_{SiO_2}=1.47\)), und die Permittivität von Silber wird durch das Drude-Modell [25] beschrieben:

$$ {\varepsilon}_{Ag}={\varepsilon}_0\left[{\varepsilon}_{\infty}-\frac{f_p^2}{f\left(f- i\gamma \right)} \right] $$ (1)

Schema der Viertelwellenplatte. Die Lichter werden normalerweise von unten einfallen. a 3D-Ansicht der Viertelwellenplatte. b Draufsicht einer Einheitenstruktur

wo ε =5, f p =2,175 PHZ und γ =4,35 THz. Die Dicke des Siliziumdioxidsubstrats und des Silberfilms ist auf H . festgelegt 1 =30 nm und H 2 =27 nm, die Periode der Einheit ist P x =1200 nm und P y =500 nm, Länge und Breite des Silberfilms sind L x =450 nm und L y =480 nm bzw. Die Innenabmessungen der Öffnungen W y =80 nm wird konstant gehalten und die Länge W x ist variabel. Die Mitte der Öffnungen sind x =±75 nm, y =±110 nm. Die numerische Simulation erfolgt durch dreidimensionale Finite-Difference-Time-Domain-(FDTD)-Methoden, bei denen die periodischen Bedingungen im x- und y- Richtungen und perfekt übereinstimmende Ebenen werden entlang z- . verwendet Richtung, um sicherzustellen, dass die vollständige Absorption des Anregungslichts ohne Reflexion erfolgt. Ebene Wellen fallen normalerweise von der Unterseite des Substrats innerhalb des Wellenlängenbereichs von 1000 bis 2000  nm ein. T ist die normalisierte Gesamttransmission und die Transmission in x- und y -Richtungen ist T x und T y , bzw. Wir betrachten zunächst die Transmissionseigenschaften einer ultradünnen planaren Metaoberfläche mit einer Dicke im Subwellenlängenbereich d λ 0 im Flugzeug platziert z =0. Die Übertragung kann einfach mit der Jones-Matrix ausgedrückt werden:

$$ \boldsymbol{T}=\left(\begin{array}{cc}{T}_{xx}&{T}_{xy}\\ {}{T}_{yx}&{T}_ {yy}\end{array}\right) $$ (2)

wo T ij repräsentiert die komplexe Amplitude der gesendeten Welle, linear polarisiert im i Anregungsrichtung im j Richtung. Also, T xx und T yy sind die Kopolarisations-Transmissionskoeffizienten und die T xy und T yx sind die Kreuzpolarisations-Transmissionskoeffizienten. Betrachten Sie die ankommende ebene Welle, die sich entlang der +z . ausbreitet -Richtung kann das elektrische Feld ausgedrückt werden als:

$$ {\boldsymbol{E}}_{in}\left(\boldsymbol{r},t\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y \end{array}\right){e}^{i\left(kz-\omega t\right)} $$ (3)

wo ω steht für Frequenz, k ist der Wellenvektor und I x , ich y sind die komplexen Amplituden. Die Matrix Ich =\( \left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) \) bestimmt den Polarisationszustand und die Gesamtintensität der Welle. Wenn das linear polarisierte Licht normal in einem 45° Polarisationswinkel zum x- . einfällt Achse, ∣ ich x ∣ =|Ich y =\( \frac{1}{\sqrt{2}} \). Das übertragene elektrische Feld kann wie folgt beschrieben werden:

$$ {\boldsymbol{E}}_t\left(\boldsymbol{r},t\right)=\left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{ Array}\right){e}^{i\left( kz-\omega t\right)} $$ (4)

Die Ereignis- und Übertragungsfelder werden durch die Jones-Matrix korreliert:E t =T E in , das heißt

$$ \left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{ xx}&{T}_{xy}\\ {}{T}_{yx}&{T}_{yy}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I }_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) $$ (5)

Für ein Medium, das keinen linearen Polarisationsumwandlungseffekt hat (T xy und T yx gleich Null [25, 27]), kann das übertragene Feld als [16] ausgedrückt werden:

$$ \left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{T}_{ xx}{I}_x\\ {}{T}_{yy}{I}_y\end{array}\right) $$ (6)

Die Phasendifferenz beträgt △φ =φ y - x zwischen den Transmissionskoeffizienten T xx und T yy . Für eine Viertelwellenplatte ist das △φ muss gleich (2 m + 1)π/2 . sein , wo m ist eine ganze Zahl.

Ergebnisse und Diskussionen

Simulierte Phasenverschiebungen φ x , φ y und der Unterschied sind in Fig. 2a gezeigt. Die △φ fällt bei 1200 nm stark ab und stabilisiert sich schließlich bei △φ =90°. Die Transmissionskurven und die Phasendifferenz in der Nähe von 1550  nm sind in Fig. 2b gezeigt. Im Allgemeinen kann eine Viertelwellenplatte mit einer Phasendifferenz von 90° ± 5° als normal angesehen werden. Für 1328 nm ist das △φ =95° und für 1853 nm △φ =85°, d.h. innerhalb der nahen Infrarotbandbreite von 525 nm kann unser Design die Umwandlung von zirkularer Polarisation in lineare Polarisation realisieren. Dies ist in der derzeit veröffentlichten Bandbreite der Nahinfrarot-Viertelwellenplatte hervorragend.

Simulationsergebnisse der vorgeschlagenen Struktur. a Die Phase von T x , T y und es gibt einen Unterschied, wenn W x =100 nm. b Transmission T , T x und T y , und die Phasendifferenz der beiden Sendelichter. c T x und T y Kurven, wenn W x Änderungen. Das kleine Bild ist das detaillierte Diagramm in der Nähe von 1550 nm. Es zeigt die Variationstrends von T x , T y , Gesamttransmission T , und Phasendifferenz bei der Kommunikationswellenlänge

Die geänderte Größe W x des Lochs hat unterschiedliche Auswirkungen auf x- und y- Polarisation. Abbildung 2c zeigt die Transmission bei W x Änderungen. Der Höhepunkt von T y und der sehr scharfe Peak von T x bei 1200 nm beziehen sich auf das P x =1200 nm. Die Bedingung für das Auftreten von Wood-Anomalien ist λ =p( Sündeθ ich + 1) [31, 32] und θ ich 0 für eine normal einfallende Welle ist; daher tritt der Peak auf, wenn λ =P x . Auch mit der Abnahme von P y , das Tal von T x in Richtung der kurzen Wellenlänge verschiebt und T y bewegt sich in Richtung der langen Wellenlänge, was zu einer Änderung der Wellenlänge und des Transmissionsvermögens entsprechend dem Schnittpunkt der beiden Kurven führt. Außerdem zeigt das kleine Bild die Schnittpunkte von T x und T y wenn W x ändert sich von 50 auf 100 nm. Es bedeutet die Elliptizität |T y |/|T x | =1, so dass die vorgeschlagene Struktur die Umwandlung der Viertelwellenplatte von der LTC-Polarisation realisieren kann. Die Effizienz beträgt etwa 0,44, was nahe an der idealen Transmission von 0,5 liegt, die durch die Oberflächenadmittanzmethode in der früheren Literatur nachgewiesen wurde [28]. Wenn die Öffnungsweite W x von 50 auf 100 nm erhöht wird, wird die Betriebswellenlänge von 1518 (Durchlässigkeit von etwa 0,43) auf 1550 nm (Durchlässigkeit von etwa 0,44) verschoben. Dies bedeutet, dass die vorgeschlagene Arbeit eine gute Robustheit aufweist und für die experimentelle Vorbereitung von Vorteil ist.

Wir analysieren numerisch die Resonanzen elektrischer und magnetischer Dipole (ED und MD) unter x-pol. und y-pol. an verschiedenen W x . Aus Abb. 3a, b ist ersichtlich, dass es kaum MD-Resonanz in zwei Polarisationsrichtungen gibt und ED-Resonanz bei 1550 nm für x- . existiert Polarisation und 1600 nm für y- Polarisation. Abbildung 3c zeigt die Intensität und Richtung des elektrischen Feldes unter x-pol. Inzidenz (λ =1550 nm) und Abb. 3d für y-pol. (λ =1600 nm). Die ED-Resonanzen können aus der durch die Vektorpfeile angezeigten Richtung gesehen werden. Die Änderung von W x hat wenig Einfluss auf die Dipolresonanz von x-pol. , aber y-pol. ist relativ betroffen. Durch Ändern des Bereichs der Wood-Anomalie und der Position des elektrischen Dipols können die Transmission, Phase und Polarisation unseres Designs besser kontrolliert werden. Dies ermöglicht es uns, eine bessere Viertelwellenplattenleistung im nahen Infrarotband zu erzielen. Es liefert auch eine neue Idee für das Design von Metaoberflächen-Wellenplatten [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

a Die Intensität von ED-Resonanzen. b Die Intensität von MD-Resonanzen. c, d Die elektrische Feldstärke und die Vektoren von x-pol. und y-pol. Inzidenz bzw.

Um das Betriebsband der Viertelwellenplatten und die Leistung bei der Kommunikationswellenlänge um 1550 nm zu untersuchen, teilen wir die Vergleiche in vier Teile auf (in Tabelle 1 gezeigt):zirkulare Polarisierbarkeit bei 1550 nm, Übertragungseffizienz bei 1550 nm, Dicke und die Bandbreite von zirkularer Polarisation zu linearer Polarisation kann erreicht werden.

Die erste Spalte von Tabelle 1 ist die Draufsicht (zweidimensional) der Strukturen, die nur eine schematische Darstellung ist und die spezifische Größe und Proportion nicht zeigt. Die Materialien sind in den Abbildungen einfach dargestellt. Die zweite Spalte ist die Bandbreite der Struktur als Viertelwellenplatten, in denen zirkulare Polarisation in lineare Polarisation umgewandelt werden kann, und der Phasendifferenzbereich beträgt 90° ± 5°. Die dritte Spalte ist die Elliptizität der LTC-Polarisationsübertragung bei 1550 nm und die Elliptizität |T y |/|T x |. Die vierte Spalte ist die entsprechende Wellenlänge, wenn die Elliptizität |T y |/|T x | =1, und das △φ =φ y x =(2 m + 1) × 90° gleichzeitig, wobei m ist eine ganze Zahl. Die fünfte Spalte ist die Dicke der Metallschicht jeder Viertelwellenplatte und Siliziumdioxid ist das einzige andere Material. Die Ergebnisse aller oben genannten Artikel stammen aus Simulationen mit FEM, FDTD usw.

Die Leistung von fünf Strukturen, die bei Kommunikationsbandbreite in Tabelle 1a, d, e, f und g arbeiten, wird als Balkendiagramme dargestellt. Sie repräsentieren die Nanostäbchen, L-förmige, gebrochene rechteckige Annulus-Arrays, einlagige Gold-Nanostäbchen-Arrays und zwei mal zwei rechteckige Silberfilmstrukturen. Die zirkulare Polarisierbarkeit und der Transmissionswirkungsgrad verschiedener Viertelwellenplatten bei 1550   nm sind in Fig. 4a gezeigt, und ihre jeweilige Metallschichtdicke und Arbeitsbandbreite sind in Fig. 4b gezeigt. Der Einfachheit halber normalisieren wir die Dicke und Bandbreite, die auf der Metalldicke (27 nm) und der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Betriebsbandbreite (525 nm) basiert.

Der Vergleich der Eigenschaften der in Tabelle 1a, d, e, f und g genannten Strukturen. a Die Elliptizität der LTC-Polarisation und die Gesamttransmission bei 1550 nm. b Die normalisierte Metalldicke und die normalisierte Bandbreite der CTL-Polarisation, basierend auf der vorgeschlagenen Struktur g

Durch Vergleich der oben erwähnten fünf Strukturen stellen wir fest, dass, obwohl Struktur a die höchste Übertragungseffizienz und ein breites Band aufweist, es völlig unmöglich ist, eine zirkulare Polarisation bei 1550 nm zu erreichen und eine sehr große Dicke hat. Struktur d hat die höchste zirkulare Polarisierbarkeit, eine hohe Transmissionseffizienz und Dicke an zweiter Stelle von fünf, aber die Bandbreite ist sehr schmal. Dieses Design kann CTL- und LTC-Polarisation bei 1550 nm gut erreichen, ist jedoch nicht für eine Viertelwellenplatte mit großer Bandbreite geeignet. Ultradünne Wellenplatten e und f haben die gleiche Dicke von 10 nm und den gleichen niedrigsten Transmissionswirkungsgrad. Beim Vergleich der zirkularen Polarisierbarkeit ist e jedoch besser als f Leistung und Bandbreite ist f weit besser als e. Obwohl die Struktur f das breiteste Band hat, sind die anderen drei Indikatoren alle die schlechtesten, und es ist unmöglich, eine zirkulare Polarisation bei 1550 nm zu erreichen. Struktur g realisiert nicht nur die LTC/CTL-Transformationen effizient und perfekt, sondern weist auch die Eigenschaften einer geringen Dicke und eines breiten Arbeitsbandes auf. Dies ist das Ergebnis der Abwägung der erforderlichen Leistung einer Viertelwellenplatte. Durch Kombination der bestehenden Nanoverarbeitungstechnologie mit veröffentlichter Literatur haben wir festgestellt, dass unsere Viertelwellenplatte experimentell hergestellt werden kann. Im Allgemeinen können wir das Experiment in drei Schritten durchführen:Zuerst werden rechteckige Muster auf der ZEP520-Resistschicht durch Elektronenstrahllithographie (EBL) auf einem Siliziumdioxidsubstrat definiert; zweitens wird ein Array mit komplementärer Struktur von Viertelwellenplatten-Superzellen durch Elektronenstrahlbelichtung erhalten; drittens wird eine dünne Silberschicht durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden; Entfernen Sie im letzten Schritt unerwünschte Materialien durch einen Abhebe- oder Rückätzprozess. In Referenz [25] wurde das gleiche Verfahren verwendet, um eine Viertelwellenplatte aus Gold-Nanostäben herzustellen. Die Dicke von Silber-Nanostäben beträgt 60 nm, und die schmalste Breite beträgt 20 nm. Die Tiefe zu Breite beträgt 3, was bedeutet, dass es relativ schwierig herzustellen ist. In Referenz [16] wurde eine Viertelwellenplatte unter Verwendung der gleichen Verfahren hergestellt. Die Dicke des Goldfilms beträgt 35 nm, und der engste Metallspalt beträgt nur 10 nm. Obwohl einige unvermeidliche Dickeninhomogenitäten und Materialverluste die Resonanzstärke bei kürzeren Wellenlängen reduzieren, stimmen die Messungen gut mit den Simulationen überein. Bei dieser Arbeit beträgt die Dicke der Silberschicht der Wellenplatte 27 nm, und der schmalste Teil beträgt 50 nm, die Tiefe-zu-Breite beträgt etwa 0,5. Darüber hinaus, wie in dem kleinen Bild von Fig. 2c gezeigt, wenn die Öffnungsbreite W x von 80 auf 100 nm erhöht wird, wird die Betriebswellenlänge von 1545 (Durchlässigkeit von etwa 0,432) auf 1550 nm (Durchlässigkeit von etwa 0,44) verschoben. Dies bedeutet, dass die Struktur des Papiers eine gute Robustheit aufweist und durch die experimentellen Fehler nicht stark beeinflusst wird.

Daher vermeidet die Struktur mit mehreren Aperturen die Idee der Einführung einer anisotropen Phasendifferenz durch die schlanke Struktur (die schwierig zu konstruieren ist) und bietet eine neue Richtung für das Design der Viertelwellenplatte.

Schlussfolgerungen

Wir haben numerisch eine realisierbare breitbandige durchlässige Viertelwellenplatte bei Kommunikationswellenlänge betrachtet, die eine periodische Anordnung von Subwellenlängenlöchern auf einem 27 nm dicken Silberfilm aufweist. Durch Anpassung der plasmonischen Resonanzen, elektrischen Dipolresonanzen und Wood-Anomalien kann ein breites zirkular-lineares Polarisationsband (525 nm) und eine hohe Übertragungseffizienz von 0,44 erreicht werden, was nahe dem theoretischen Maximalwert von 0,5 liegt, berechnet von die Oberflächenadmittanztheorie. Insbesondere bei 1550 nm beträgt die Elliptizität 1, wodurch die Umwandlung von linearer zu zirkularer Polarisation perfekt realisiert wird. Durch Analyse glauben wir, dass diese Struktur aufgrund ihrer guten Robustheit gut als Viertelwellenplatte funktionieren kann. Es wird erwartet, dass dies in miniaturisierten optischen Komponenten wie Polarisationsmanipulation, optischer Abtastung und Kommunikationsfunktionen verwendet wird.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der laufenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

CTL:

Zirkular-zu-linear

LTC:

Linear-zu-Kreis

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

θ ich :

Der Winkel der einfallenden Welle

x-pol. :

x-Polarisation

y-pol. :

y-Polarisation

SiO2 :

Kieselsäure

AG:

Silber

Au:

Gold


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