飞秒激光微加工制备大尺寸无衬底太赫兹线栅偏振器 
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1 引言
线栅偏振器(WGPs)已经被广泛使用在红外波段[1]。WGPs主要由周期性排列的平行金属线组成,具有高透射率、较宽的工作带宽等特征,因此通常用作光学偏振器或分束器[2]。 关于WGPs的工作原理,最常见的解释是基于垂直于金属线的电子的受限运动[1]。如果入射波是线偏振且与线栅平行,则传导电子将沿线长方向不受限制地运动。在Ewald-Oseen的图像中[3],相干激发的电子会产生正向及反向的传播波,由此可知,偏振方向与线栅平行的入射波将没有能量向前传播,而偏振方向与线栅垂直的入射波几乎无损耗地透过,从而实现偏振传输。
目前,研究人员使用不同的方法开发出了各种各样的太赫兹(THz)偏振器,如液晶偏振器(LCPs)[4-6]、布儒斯特角偏振器(BAPs)、WGPs[7-11]和碳纳米管偏振器(CNPs)[12-15]。从总体上看,LCPs具有较好的性能,但是插入损耗较高且工作频带狭窄,而BAPs的使用受到指定入射角的限制。WGPs是使用最为广泛的偏振器,它可以通过精密加工[7]、光刻[8-10]或者机械加工方法制备[11]。商业无衬底WGPs是通过将钨丝缠绕在框架结构上制成的,具有高透射率和高消光比的特性[7]。但是,这种偏振器制造昂贵且易损坏。光刻方法需要经历几个步骤,如涂胶、掩模、曝光等,因此通常需要使用基底,由此引起了插入损耗和Fabry-Pérot干涉。CNPs由Ren等[12]提出,采用高度一致的纳米管阵列并将几层样品堆叠起来可以提高极化度和消光比[13]。此外,通过选取碳纳米管纤维并利用卷绕法也可以制造CNPs[14-15]。然而CNPs的性能并没有优于其他方法制造出的太赫兹偏振器,其成本比较昂贵。最近,基于超表面和狄拉克半金属的器件在操控太赫兹方面展现了一些独特的优势,引起了人们的极大关注[16-21]。
随着超快激光放大器的发展,飞秒激光微加工(FLM)技术为制备THz器件提供了另一种选择。 FLM已用于制造THz带通滤波器[22-23]、THz谐振器[24]、THz菲涅耳透镜[25]、光子带隙结构[26]和极化结构[27]等。原则上,FLM也可用于制造无衬底WGPs。但是,线栅及其周期性容易受到重力和空气干扰的影响,这可能会导致长金属线之间的缠绕和周期不均匀现象,因此大尺寸偏振器的制造受到限制。
本文利用FLM在10 μm厚的铝箔上制造大面积线栅结构,提出并制造了两种增强结构,以扩大WGPs的尺寸,通过有限差分时域(FDTD)方法模拟了WGPs的性能,结合THz时域光谱系统进行了实验测试,并与商用WGP进行了比较,实验结果与FDTD仿真结果吻合。
2 样品制备
详细的样品制备过程和FLM系统参见参考文献[
22]。铝箔厚度为10 μm,飞秒激光的波长为800 nm,脉冲宽度为45 fs,重复频率为1 kHz。将铝箔放在计算机控制的二维精密平移台上,该平移台的移动速度为500 μm/s,加速度为500 μm/s2,使用的激光功率为10 mW。为了确保高质量的大面积加工,按照以下步骤制备样品(
图 2. 样品显微图。(a)具有不连续增强线的样品1显微图像;(b)具有连续增强线的样品2显微图像;(c)商用WGP的显微图像。图2 (a)和2(b)中插图为WGP设计图
Fig. 2. Micrographs of samples. (a) Micrograph of sample 1 with discontinuous reinforced lines; (b) micrograph of sample 2 with continuous reinforced lines; (c) micrograph of commercial WGP. Insets in Figs. 2(a) and 2(b) show WGP designs
制造了两种具有不同增强线结构的样品。
3 仿真及测试结果
在FDTD仿真中,设置偏振所在平面的边界为周期性边界条件,并且垂直方向为完美匹配层。采用的材料是铝(Al),等离子体频率为2.24×1016 rad/s,阻尼系数为1.12×1014 rad/s[22]。基于采用光学显微镜测量的几何参数进行FDTD模拟,入射太赫兹波垂直于线栅平面。
图 3. FDTD仿真得到的不同样品在入射THz波偏振方向与线栅夹角(θ)变化时的透射率谱线。(a)不带任何增强线结构;(b)带有不连续增强线结构;(c)带有连续增强线结构
Fig. 3. Transmittance for different samples varying with angle θ between polarization direction of incident THz wave and line grating simulated by FDTD. (a) Without reinforced lines; (b) with discontinuous reinforced lines; (c) with continuous reinforced lines
利用自主搭建的时域太赫兹系统对偏振器样品进行性能表征[28]。飞秒激光光束由分光镜分为泵浦光和探测光,泵浦光经过透镜后聚焦在非线性晶体 ZnTe 上,在光整流效应下得到太赫兹时域脉冲信号。太赫兹信号为线偏振,经过两个离轴抛物面镜传输并聚集后垂直入射到样品上,后经另外两个离轴抛物面镜与探测光同时会聚在探测晶体ZnTe上。从晶体中经过的探测光被太赫兹信号调制,经过 1/4 波片后被转换成近似圆偏振的椭圆偏振光,然后经过沃拉斯顿棱镜后形成两束偏振状态相互垂直的线偏振光,最后被差分探测器探测。通过调节泵浦光和探测光的光程差,可以扫描出太赫兹脉冲的时域波形。为了消除水蒸气吸收对频谱的影响,太赫兹系统全面密封并冲入干燥氮气。将样品安装在旋转平台上,以改变THz偏振方向和线栅径向之间的夹角(θ)。在另外一块铝箔上切一个空孔,该孔的大小与样品图案化区域的大小相同,将其作为参考样品。分别测量WGP样品和参考样品的THz时域信号,然后利用快速傅里叶变换(FFT)获得其THz电场强度频谱(
式中:f是太赫兹频率;Esample(f)和Eref(f)分别是样品信号和参考信号的电场强度。
图 4. 测量得到的样品在不同θ下的太赫兹频谱。(a)样品1;(b)样品3
Fig. 4. Measured THz spectra of samples at different θ. (a) Sample 1; (b) sample 3
图 5. 计算得到的样品在不同θ下的透射率谱线。(a)样品1;(b)样品3
Fig. 5. Simulated transmittance of samples at different θ. (a) Sample 1; (b) sample 3
为了进一步说明偏振器的性能,计算了样品1和样品3的消光比(ER)以及偏振度(DOP),其计算式分别为
式中:T‖是平行情况下的透射率(θ=0°);T⊥是垂直情况下的透射率(θ=90°)。
图 6. 样品1和样品3的消光比(Rer)和偏振度(RDop)。(a)偏振度;(b)消光比
Fig. 6. Degree of polarization (RDop) and extinction ratio (Rer) of samples 1 and 3. (a) Degree of polarization; (b) extinction ratio
4 结论
将增强线用于太赫兹线栅偏振器设计中,通过FLM在10 μm铝箔上制造了两种大面积WGPs,通过FDTD对WGPs进行了仿真,并利用时域太赫兹光谱系统对其进行表征。实验结果表明,在测量的频率范围内,具有不连续增强线的WGP的消光比比商业偏振片高20 dB,偏振度接近1,其性能优于商业偏振片。
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