Transmissão ultrafina de banda larga Quarter Waveplate com matriz de orifício retangular baseada em ressonâncias plasmônicas

Resumo

O controle dos estados de polarização da luz desempenha um papel importante nos sistemas ópticos modernos. No entanto, os dispositivos tradicionais de manipulação de polarização geralmente têm largura de banda estreita e seu grande tamanho torna difícil para eles alcançar a miniaturização e integração de sistemas ópticos. Este trabalho apresenta uma placa de onda quadrada ultrafina com um filme de prata periódico 2 × 2 orifícios retangulares com espessura menor que λ / 50. A simulação numérica mostra que a placa de onda pode transformar com eficiência uma onda circular polarizada em uma linearmente polarizada no centro de 1550 nm e sua largura de banda é de 525 nm. Além disso, o quarto da placa de onda pode inverter com eficiência a polarização linear em polarização circular a 1550 nm, cuja elipticidade é próxima da unidade. Com uma série de pequenos orifícios em um filme de metal para melhorar a transmissão, essa estrutura pode aumentar a transmissão para 0,44. A placa de onda de um quarto de banda larga pode ser usada em sistema de comunicação e sistema de banda infravermelho próximo e ser integrada a outros dispositivos ópticos em nanoescala para atingir operação de polarização, detecção e detecção.

Introdução

Há um interesse crescente na manipulação da polarização da luz em uma variedade de aplicações ópticas, como polarizadores, placas de onda e lentes. Entre eles, as placas de onda são componentes fotônicos importantes porque podem introduzir uma diferença de fase específica, como π / 2 e π, para produzir luz polarizada diferente para atingir um quarto ou meia placa de onda. O design de placa de onda tradicional usa birrefringência de cristais para impor diferentes fases na luz incidente. No entanto, o efeito de birrefringência é muito fraco em cristais naturais, resultando em placas de onda com uma espessura de várias centenas de mícrons. Componentes ópticos volumosos frequentemente sofrem de dificuldades na integração e na modulação da profundidade de fase [1,2,3,4]. Nos últimos anos, o surgimento da nanofotônica abriu uma nova direção para o estudo da interação entre a luz e as matérias. Especialmente, dispositivos nanofotônicos (espessura de cerca de dezenas de nanômetros) podem romper o limite de difração sem interferência eletromagnética. Ele tem grande potencial para substituir os dispositivos de grande escala. Entre eles, dispositivos nanofotônicos baseados em metassuperfície têm atraído cada vez mais atenção. O desenvolvimento da teoria da metassuperfície e da tecnologia de fabricação possibilita o desenvolvimento de nanodispositivos [5].

Metasurfaces são estruturas planas que modificam localmente a polarização, fase e amplitude da luz na reflexão ou transmissão, permitindo assim componentes ópticos planos litograficamente padronizados com funcionalidades controladas por design. Geralmente tem uma espessura menor que o comprimento de onda. No processo de transmissão ou reflexão, metassuperfícies anisotrópicas produzem diferentes fases e amplitudes correspondentes às ondas TE e TM, o que proporciona grande flexibilidade para o projeto de metassuperfícies funcionais. Podemos usar isso para projetar lentes, placas de fase, placas de onda, polarizadores, divisores de feixe, geradores de feixe vetorial arbitrário e assim por diante [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].

As placas de um quarto da metassuperfície baseadas em ressonâncias de plasmon são um dos hotspots nos últimos anos [18,19,20,21,22,23,24], e as literaturas publicadas na linha do tempo indicam um progresso contínuo nesta área. Em 2011, Zhao et al. projetou e estudou o desempenho da matriz de nanorods de prata alongada ortogonal como uma placa de onda de um quarto de banda larga. Ele pode introduzir um deslocamento de fase de 90 ° em uma espessura de 60 nm [25]. Inspirado pelo princípio de Babinet, em 2013, o mesmo grupo projetou um quarto da placa de onda de nanoslits e alcançou a conversão de polarização circular para linear (CTL) na região de luz visível. A espessura da camada de metal é reduzida para 40 nm [26]. Os dois projetos acima têm uma banda larga de polarização CTL. No entanto, é difícil obter a mesma amplitude de dois feixes polarizados ortogonalmente. Logo após o trabalho pioneiro de Zhao et al., Em 2012, Roberts et al. propôs um quarto de placa de onda com um arranjo periódico de aberturas em forma de cruz em um filme de prata. A eficiência e a fase da transmissão (para largura fixa do braço) da placa de onda são sensíveis ao comprimento do braço relacionado. A conversão da polarização linear para circular (LTC) é obtida em alguns comprimentos de onda discretos de 710 a 760 nm, e a espessura do filme de prata é de 140 nm [27]. Ele pode muito bem atingir a polarização LTC, mas o comprimento de onda é fixo apenas em comprimentos de onda específicos e a camada de metal é relativamente espessa. Da mesma forma, com base na anisotropia causada pelo comprimento do braço nas direções ortogonais, em 2013, Yang et al. propôs um quarto de placa de onda que consiste em uma matriz plana periódica de antenas de plasma em forma de L simétricas. A elipticidade da luz transmitida pode chegar a 0,994 em 1550 nm. A largura de banda com elipticidade maior que 0,9 é de 80 nm [28]. A polarizabilidade circular da placa de onda é quase unitária, mas sua largura de banda não é ideal. Ao projetar cuidadosamente as nanoantenas nos superuints, em 2015, Li et al. alcançou um quarto da placa de onda consistindo de uma matriz de nanorods de ouro de 20 nm de espessura. Teoricamente, ele pode realizar a conversão da polarização CTL e transformação reversa em torno de 1550 nm. A polarizabilidade circular é 0,67 e a eficiência de transmissão é 0,4 [29]. A estrutura ultrafina pode realizar a polarização CTL em uma banda larga, mas a elipticidade (razão de amplitude) da polarização LTC em 1550 nm é baixa. Além disso, em 2017, Zhu et al. propôs uma placa de onda de quarto de matriz de anular retangular quebrada. É formado por dois pares de fendas com orientação perpendicular embutidas em um filme de prata de 10 nm de espessura. Possui largura de banda de polarização CTL de 120 nm. Além disso, a placa de onda pode atingir a transformação LTC com a polarizabilidade circular de 0,97 e a eficiência de transmissão é de 0,4 a 1550 nm [30]. Ele atinge alta conversão de polarização em detrimento da largura de banda.

Através dos exemplos acima, geralmente, como uma placa de um quarto de onda de transmissão miniaturizada ideal utilizada em banda de comunicação, ela deve ter as seguintes características:em primeiro lugar, pode realizar a conversão da polarização CTL (polarização LTC) em banda larga. Em segundo lugar, pode atingir a polarizabilidade circular perto da unidade a 1550 nm. Em terceiro lugar, a transmitância geral deve ser a mais alta possível (a transmitância máxima de uma placa de um quarto de onda ultrafina sem perda deve ser 0,5 calculada pela teoria de admitância de superfície). Quarto, deve ser ultrafino e econômico. Mas, por enquanto, a maioria deles ainda são projetos teóricos e poucos experimentos foram realizados. Como a relação entre a altura e a largura é muito alta, ou os parâmetros estruturais são muito sensíveis a erros, etc., isso afetará o desempenho das placas de onda reais.

Com base nas quatro características acima, propomos uma placa de onda de um quarto de transmissão usada na banda de comunicação. A célula unitária é composta por filme de prata furado com 27 nm de espessura e substrato de sílica. O design de quatro orifícios evita a desvantagem da largura de banda estreita do ressonador único. Eles podem melhorar os plasmons de superfície localizados, aumentando assim a anisotropia de fase para introduzir mudanças de fase abruptas e reduzindo amplamente a espessura da camada de metal. Além disso, a placa de onda pode atingir 90 ° de diferença de fase na largura de banda de 525 nm. Especialmente, a polarizabilidade circular está próxima da unidade com a eficiência de transmissão de 0,44 a 1550 nm.

Métodos

A Figura 1 representa esquematicamente uma célula unitária da placa de onda quadrada plasmônica proposta, um filme de prata escavador colocado sobre um substrato de sílica. Quatro aberturas retangulares são dispostas em duas linhas e duas colunas. A placa de onda imersa em um ambiente de ar com índice de refração n =1. A sílica é considerada não dispersiva (\ ({\ varepsilon} _ {SiO_2} =1,47 \)), e a permissividade da prata é descrita pelo modelo de Drude [25]:
$$ {\ varepsilon} _ {Ag} ={\ varepsilon} _0 \ left [{\ varepsilon} _ {\ infty} - \ frac {f_p ^ 2} {f \ left (f- i \ gamma \ right)} \ right] $$ (1)

Esquemas do quarto da placa de onda. As luzes são normalmente incidentes por baixo. a Vista 3D da placa de onda de um quarto. b Vista superior de uma estrutura de unidade

onde ε _∞ =5, f _p =2,175 PHz, e γ =4,35THz. A espessura do substrato de sílica e do filme de prata é fixada em H ₁ =30 nm e H ₂ =27 nm, o período da unidade é P _x =1200 nm e P _y =500 nm, o comprimento e a largura do filme de prata são L _x =450 nm e L _y =480 nm, respectivamente. As dimensões internas das aberturas W _y =80 nm é mantido fixo, e o comprimento W _x é variável. O centro das aberturas é x =± 75 nm, y =± 110 nm. A simulação numérica é realizada por métodos tridimensionais no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD), nos quais as condições periódicas são aplicadas no x- e y- direções e camadas de correspondência perfeita são usadas ao longo de z- direção para se certificar de que a absorção completa da luz de excitação sem reflexão. As ondas planas são normalmente incidentes por baixo do substrato dentro da região de comprimento de onda de 1000 a 2000 nm. T é a transmitância total normalizada, e a transmitância em x- e y -direcções é T _x e T _y , respectivamente. Em primeiro lugar, consideramos as características de transmissão de uma metassuperfície plana ultrafina com espessura abaixo do comprimento de onda d ≪ λ ₀ colocado no avião z =0. A transmissão pode ser expressa simplesmente usando a matriz de Jones:
$$ \ boldsymbol {T} =\ left (\ begin {array} {cc} {T} _ {xx} &{T} _ {xy} \\ {} {T} _ {yx} &{T} _ {yy} \ end {array} \ right) $$ (2)
onde T _ij representa a amplitude complexa da onda transmitida, linearmente polarizada no i direção de excitação no j direção. Assim, T _xx e T _yy são os coeficientes de transmissão de copolarização, e o T _xy e T _yx são os coeficientes de transmissão de polarização cruzada. Considere que a onda plana de entrada se propaga ao longo do + z - direção, o campo elétrico pode ser expresso como:
$$ {\ boldsymbol {E}} _ {in} \ left (\ boldsymbol {r}, t \ right) =\ left (\ begin {array} {c} {I} _x \\ {} {I} _y \ end {array} \ right) {e} ^ {i \ left (kz- \ omega t \ right)} $$ (3)
onde ω representa a frequência, k é o vetor de onda, e I _x , eu _y são as amplitudes complexas. A matriz eu =\ (\ left (\ begin {array} {c} {I} _x \\ {} {I} _y \ end {array} \ right) \) determina o estado de polarização e a intensidade total da onda. Quando a luz polarizada linearmente incide normalmente a um ângulo de polarização de 45 ° em relação ao x- eixo, ∣ I _x ∣ =| Eu _y ∣ =\ (\ frac {1} {\ sqrt {2}} \). O campo elétrico transmitido pode ser descrito como:
$$ {\ boldsymbol {E}} _ t \ left (\ boldsymbol {r}, t \ right) =\ left (\ begin {array} {c} {T} _x \\ {} {T} _y \ end { array} \ right) {e} ^ {i \ left (kz- \ omega t \ right)} $$ (4)
Os campos de incidente e transmissão são correlacionados pela matriz de Jones: E _t =T E _em , isso é
$$ \ left (\ begin {array} {c} {T} _x \\ {} {T} _y \ end {array} \ right) =\ left (\ begin {array} {cc} {T} _ { xx} &{T} _ {xy} \\ {} {T} _ {yx} &{T} _ {yy} \ end {array} \ right) \ left (\ begin {array} {c} {I } _x \\ {} {I} _y \ end {array} \ right) $$ (5)
Para um meio que não tem efeito de conversão de polarização linear ( T _xy e T _yx igual a zero [25, 27]), o campo transmitido pode ser expresso como [16]:
$$ \ left (\ begin {array} {c} {T} _x \\ {} {T} _y \ end {array} \ right) =\ left (\ begin {array} {c} {T} _ { xx} {I} _x \\ {} {T} _ {yy} {I} _y \ end {array} \ right) $$ (6)
A diferença de fase é △ φ =φ _y - φ _x entre os coeficientes de transmissão T _xx e T _yy . Para um quarto da placa de onda, o △ φ deve ser igual a (2 m + 1) π / 2 , onde m é um número inteiro.

Resultados e discussões

Mudanças de fase simuladas φ _x , φ _y e as diferenças são mostradas na Fig. 2a. O △ φ cai drasticamente a 1200 nm e, eventualmente, estabiliza em torno de △ φ =90 °. As curvas de transmitância e a diferença de fase perto de 1550 nm são mostradas na Fig. 2b. Geralmente, um quarto da placa de onda com uma diferença de fase de 90 ° ± 5 ° pode ser considerado como funcionando normalmente. Para 1328 nm, o △ φ =95 °, e para 1853 nm, △ φ =85 °, o que significa que dentro da largura de banda do infravermelho próximo de 525 nm, nosso projeto pode realizar a conversão de polarização circular em polarização linear. Isso é excelente na largura de banda publicada atual da placa de onda de um quarto do infravermelho.

Resultados da simulação da estrutura proposta. a A fase de T _x , T _y e há diferença quando W _x =100 nm. b Transmitância T , T _x e T _y , e a diferença de fase das duas luzes de transmissão. c T _x e T _y curvas quando W _x alterar. A pequena imagem é o diagrama detalhado próximo a 1550 nm. Mostra as tendências de variação de T _x , T _y , transmitância total T , e a diferença de fase no comprimento de onda de comunicação

O tamanho alterado W _x do buraco tem efeitos diferentes em x- e y- polarização. A Figura 2c mostra a transmitância quando W _x alterar. O pico de T _y e o pico muito acentuado de T _x em 1200 nm estão relacionados ao P _x =1200 nm. A condição para que as anomalias de Wood ocorram é λ =p ( sin θ _i + 1) [31, 32] e θ _i é 0 para onda normalmente incidente; portanto, o pico ocorre quando λ =P _x . Além disso, com a diminuição de P _y , o vale de T _x muda para a direção do comprimento de onda curto e T _y move-se na direção do comprimento de onda longo, resultando na mudança do comprimento de onda e transmitância correspondente à interseção das duas curvas. Além disso, a pequena imagem mostra as interseções de T _x e T _y quando W _x muda de 50 a 100 nm. Significa a elipticidade | T _y | / | T _x | =1, de modo que a estrutura proposta pode realizar a conversão de um quarto da placa de onda da polarização LTC. A eficiência é de cerca de 0,44, que está próxima da transmitância ideal de 0,5 comprovada pelo método de admitância de superfície na literatura anterior [28]. Além disso, quando a largura da abertura W _x é aumentado de 50 para 100 nm, o comprimento de onda operacional é deslocado de 1518 (transmitância de cerca de 0,43) para 1550 nm (transmitância de cerca de 0,44). Isso significa que o trabalho proposto tem uma boa robustez, sendo benéfico para a preparação experimental.

Analisamos numericamente as ressonâncias de dipolos elétricos e magnéticos (ED e MD) sob x-pol. e y-pol. em W diferente _x . Pode ser visto na Fig. 3a, b que dificilmente há qualquer ressonância MD em duas direções de polarização e existe ressonância ED em 1550 nm para x- polarização e 1600 nm para y- polarização. A Figura 3c mostra a intensidade e direção do campo elétrico sob x-pol. incidência (λ =1550 nm) e Fig. 3d para y-pol. (λ =1600 nm). As ressonâncias ED podem ser vistas na direção indicada pelas setas do vetor. A mudança de W _x tem pouco efeito na ressonância dipolo de x-pol. , mas y-pol. é relativamente afetado. Através da mudança do intervalo da anomalia de Wood e da posição do dipolo elétrico, a transmissão, a fase e a polarização de nosso projeto podem ser melhor controladas. Isso nos permite obter um melhor desempenho de um quarto da placa de onda na faixa do infravermelho próximo. Ele também fornece uma nova ideia para o projeto de placa de onda metassuperficial [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

a A intensidade das ressonâncias ED. b A intensidade das ressonâncias MD. c, d A intensidade do campo elétrico e os vetores de x-pol. e y-pol. incidência, respectivamente

A fim de examinar a banda operacional das placas de quarto de onda e o desempenho no comprimento de onda de comunicação em torno de 1550 nm, dividimos as comparações em quatro partes (mostradas na Tabela 1):polarizabilidade circular em 1550 nm, eficiência de transmissão em 1550 nm, a espessura e a largura de banda da polarização circular para a polarização linear pode ser alcançada.

A primeira coluna da Tabela 1 é a vista superior (bidimensional) das estruturas, que é apenas um diagrama esquemático, e não mostra o tamanho e proporção específicos. Os materiais são simplesmente mostrados nas figuras. A segunda coluna é a largura de banda da estrutura como placas de quarto de onda, nas quais a polarização circular pode ser convertida em polarização linear e a faixa de diferença de fase é 90 ° ± 5 °. A terceira coluna é a elipticidade da transmissão da polarização LTC em 1550 nm, e a elipicidade | T _y | / | T _x | A quarta coluna é o comprimento de onda correspondente quando a elipticidade | T _y | / | T _x | =1, e o △ φ =φ _y -φ _x =(2 m + 1) × 90 ° simultaneamente, onde m é um número inteiro. A quinta coluna é a espessura da camada de metal de cada placa de onda e sílica é o único outro material. Os resultados de todos os artigos acima são de simulações, usando FEM, FDTD e assim por diante.

O desempenho de cinco estruturas trabalhando na largura de banda de comunicação na Tabela 1a, d, e, f e g é apresentado como gráficos de barras. Eles representam os nanobastões, matrizes de anular retangulares quebradas em forma de L, matriz de nanobastões de ouro de camada única e duas por duas estruturas de filme de prata com orifícios retangulares, respectivamente. A polarizabilidade circular e a eficiência de transmissão de diferentes placas de quarto de onda em 1550 nm são mostradas na Fig. 4a, e suas respectivas espessuras de camada de metal e largura de banda de trabalho são mostradas na Fig. 4b. Por conveniência, normalizamos a espessura e a largura de banda, que é baseada na espessura do metal (27 nm) e na largura de banda de operação (525 nm) propostas neste trabalho.

A comparação das características das estruturas mencionadas nas Tabelas 1a, d, e, f e g. a A elipticidade da polarização LTC e a transmissão total a 1550 nm. b A espessura normalizada do metal e a largura de banda normalizada da polarização CTL, com base na estrutura proposta g

Ao comparar as cinco estruturas mencionadas acima, descobrimos que, embora a estrutura a tenha a maior eficiência de transmissão e uma banda larga, é completamente impossível atingir a polarização circular em 1550 nm e tem uma espessura muito grande. A estrutura d tem a polarizabilidade circular mais alta, uma alta eficiência de transmissão e a espessura está em segundo lugar em cinco, mas a largura de banda é muito estreita. Este projeto pode atingir bem a polarização CTL e LTC em 1550 nm, mas não é adequado para um quarto de placa de onda com grande largura de banda. As placas de onda ultrafinas eef têm a mesma espessura de 10 nm e a mesma eficiência de transmissão mais baixa. No entanto, na comparação da polarizabilidade circular, e é melhor do que f desempenho, e largura de banda, f é muito mais melhor do que e. Embora a estrutura f tenha a banda mais larga, os outros três indicadores são os piores, e é impossível alcançar a polarização circular em 1550 nm. A estrutura g não só realiza as transformações LTC / CTL com eficiência e perfeição, mas também possui as características de pequena espessura e ampla faixa de trabalho. Este é o resultado de pesar o desempenho necessário de um quarto de onda. Combinando a tecnologia de nanoprocessamento existente com literaturas publicadas, descobrimos que nossa placa de quarto de onda pode ser preparada experimentalmente. De modo geral, podemos realizar o experimento em três etapas:primeiro, os padrões em forma de retângulo são definidos na camada resistente do ZEP520 por litografia de feixe de elétrons (EBL) em substrato de sílica; em segundo lugar, uma matriz de estrutura complementar de supercélula de um quarto de onda é obtida por exposição de feixe de elétrons; terceiro, uma fina camada de prata é depositada pela evaporação do feixe de elétrons; última etapa, remova os materiais indesejados por um processo de decolagem ou decapagem. A referência [25] usou o mesmo procedimento para preparar a placa de onda de um quarto de nanorod de ouro. A espessura dos nanobastões de prata é de 60 nm e a largura mais estreita é de 20 nm. A profundidade para largura é 3, o que significa que é relativamente difícil de fabricar. A referência [16] fez um quarto da placa de onda usando os mesmos processos. A espessura do filme de ouro é de 35 nm, e a lacuna de metal mais estreita é de apenas 10 nm. Embora alguma falta de homogeneidade de espessura inevitável e perdas de material reduzam a força de ressonância em comprimentos de onda mais curtos, as medições concordam bem com as simulações. Neste trabalho, a espessura da camada de prata da placa de onda é de 27 nm, e a parte mais estreita é de 50 nm, a profundidade para largura é cerca de 0,5. Além disso, como mostrado na pequena imagem da Fig. 2c, quando a largura das aberturas W _x é aumentado de 80 para 100 nm, o comprimento de onda operacional é deslocado de 1545 (transmitância de cerca de 0,432) para 1550 nm (transmitância de cerca de 0,44). Isso significa que a estrutura do papel tem uma boa robustez e não será muito afetada pelos erros experimentais.

Portanto, a estrutura de várias aberturas evita a ideia de introduzir diferença de fase anisotrópica pela estrutura delgada (que é difícil de construir) e fornece uma nova direção para o projeto de um quarto de onda.

Conclusões

Consideramos numericamente uma placa de um quarto de onda transmissiva de banda larga realizável no comprimento de onda de comunicação, que tem uma matriz de período de orifícios de comprimento de onda em um filme de prata de 27 nm de espessura. Ajustando as ressonâncias plasmônicas, ressonâncias dipolares elétricas e anomalias de Wood, ele pode atingir uma ampla banda de polarização circular a linear (525 nm) e uma alta eficiência de transmissão de 0,44, que está perto do valor máximo teórico de 0,5 calculado por a teoria da admitância de superfície. Especialmente em 1550 nm, a elipticidade é 1, o que realiza perfeitamente a conversão da polarização linear para circular. Através da análise, acreditamos que esta estrutura pode funcionar bem como um quarto de placa de onda por sua boa robustez. Espera-se que seja usado em componentes ópticos miniaturizados, como manipulação de polarização, sensoriamento óptico e funções de comunicação.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados gerados durante e / ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis nos autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

CTL:: Circular para linear
LTC:: Linear para circular
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
θ _i :: O ângulo da onda incidente
x-pol. :: polarização x
y-pol. :: polarização y
SiO ₂ :: Sílica
Ag:: Prata
Au:: Ouro

Dinâmica de Maxwell-Wagner-Sillars e suscetibilidade elastomecânica aprimorada de radiofrequência em compostos de nanopartículas de titanato de bário dopados com hidrogel PNIPAm KF A regulação positiva do MicroRNA-410 ou a regulação negativa do Wnt-11 aumenta os osteoblastos e reduz os osteoclastos para aliviar a osteonecrose da cabeça femoral

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias