一种偏振编码的高效定向发光超表面及其制备方法

本发明涉及微纳光子学，尤其涉及一种偏振编码的高效定向发光超表面及其制备方法。

背景技术：

1、偏振光源是光子技术领域的核心基础器件，在平板显示、半导体激光器、量子保密通信、生物医学成像等诸多领域具有不可替代的应用价值。传统偏振光获取方式主要依赖外部偏振片对非偏振光源进行过滤，该方法原理简单但存在固有缺陷：至少50%的光子会因偏振过滤被损耗，严重限制了光子能量利用效率，且系统体积大、集成度低，难以满足微纳光子器件小型化、集成化的发展需求。

2、为此，研究方向逐渐从大体积光学元件的外部偏振调控，转向光源本身的发光特性优化与微纳结构的平面集成调控。其中，发光超表面作为一类主动调控光发射的紧凑人工微纳结构，通过光学材料的功能与结构重构，能够从发射源头主动调控光源的偏振、相位、方向等特性，不仅可获得高纯度的线偏振光或圆偏振光，还能同时优化光束输出质量，实现定向发射与高单色性发光，成为高性能偏振光源的主流研究方向。

3、品质因子是衡量发光超表面性能的关键指标，其定义为共振模式中心波长与光谱线宽的比值，直接决定器件的发光单色性与激光产生阈值。目前主流的偏振调控方案主要分为两类：一类是利用矩形、椭圆形等各向异性纳米结构的天然旋转自由度，通过相邻单元的恒定旋转角形成相位梯度，激发表面晶格共振实现偏振光发射。但该方案存在致命局限：单个谐振单元的旋转会破坏整体阵列的晶格相干性，引发共振峰展宽、波长偏移与品质因子显著衰减，大幅降低光谱纯度。另一类是采用结构完全对称的圆形纳米单元阵列，可实现高品质因子共振与高效光场约束，但因缺乏结构各向异性，无法实现几何相位调控与偏振编码，难以满足复杂光子系统的应用需求。

4、为解决上述矛盾，研究人员尝试通过引入结构缺陷（如纳米盘偏心孔、矩形块缺口）人为制造对称性破缺以获得旋转自由度。然而，此类结构的近场热点被集中限制在微小的孔洞或缺口内部，不仅导致增益介质填充困难、集成加工难度大，还使得光场与增益介质的空间重叠度极低，光与物质相互作用弱，发光效率远低于预期。

5、综上，现有技术始终无法同时兼顾高品质因子、高场增益重叠度与相位可编码性三大核心目标，严重制约了高性能可编码偏振定向发射光源的产业化应用。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种偏振编码的高效定向发光超表面及其制备方法，用于解决现有技术中无法同时兼顾高品质因子、高光学近场与增益介质重叠度和相位可编码性，导致偏振光源发光单色性差、发光效率低且难以实现可编码偏振定向发射的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种偏振编码的高效定向发光超表面，包括：

3、透明石英基底；

4、设置在所述透明石英基底上的双原子晶格阵列，所述双原子晶格阵列由多个呈周期性排布的晶格单元构成，每个晶格单元具有一个晶格中心，每个晶格单元内设置有一个偏心纳米圆盘，所述偏心纳米圆盘相对于所述晶格中心具有预设的偏心位移，并可绕所述晶格中心在面内旋转预设的旋转角，以通过所述旋转角控制发射光的偏振方向，通过所述偏心位移δ调控发射光的线宽；以及

5、覆盖在所述双原子晶格阵列上的发光层。

6、优选地，所述偏心纳米圆盘的材料为二氧化钛，其高度为100nm，直径为140nm～220nm。

7、优选地，所述晶格单元的晶格周期p为420nm～600nm，所述偏心位移为0nm～50nm。

8、优选地，所述发光层为掺杂有机染料分子的聚合物薄膜。

9、优选地，所述聚合物薄膜为掺杂0.1 wt%罗丹明101染料分子的聚乙烯醇薄膜，其厚度为440nm。

10、优选地，通过调节所述旋转角控制发射光的线偏振方向，线偏振光的偏振角与旋转角满足线性关系：或。

11、优选地，所述偏心位移与共振模式的品质因子满足，通过调节所述偏心位移调控品质因子和线宽，从而调节偏振光的发射强度。

12、优选地，所述双原子晶格阵列由n个晶格单元组成一个超胞，所述超胞内各晶格单元的旋转角呈梯度变化，以实现圆偏振光的定向发射。

13、优选地，所述双原子晶格阵列中，光场的近场增强区域位于所述晶格单元内所述偏心纳米圆盘之间的间隙中，与所述发光层具有高空间重叠度。

14、本发明实施例还提供了一种根据上述所述的偏振编码的高效定向发光超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

15、在透明石英基底上沉积二氧化钛薄膜；

16、在所述二氧化钛薄膜上覆盖铬硬掩模层，并旋涂氢倍半硅氧烷抗蚀剂；

17、通过电子束光刻和金属干法刻蚀对所述二氧化钛薄膜进行图案化，形成所述双原子晶格阵列；

18、去除残留的铬硬掩模层和氢倍半硅氧烷抗蚀剂；

19、在图案化后的所述双原子晶格阵列上旋涂掺杂有机染料分子的聚合物溶液，经烘烤得到所述偏振编码的高效定向发光超表面。

20、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

21、第一，本发明通过双原子晶格结构引入偏心纳米圆盘的旋转自由度，在保持局部mie共振与集体晶格效应协同作用的前提下，实现了旋转角度对偏振方向的连续调控。相比现有技术中旋转各向异性单元会破坏晶格相干性导致品质因子下降的问题，本发明在0°~180°旋转范围内，共振波长、品质因子及电场增强特性均保持稳定，确保了发光单色性和偏振编码精度。

22、第二，本发明的近场增强区域位于偏心纳米圆盘之间的四个纳米间隙中，而非局限在纳米盘内部微小的孔洞或缺口中。这种设计使得光场与覆盖在上方的掺杂染料聚合物发光层具有极高的空间重叠度，大幅增加了定向发射增强（dee），提高了光与物质的相互作用效率，同时避免了因增益介质难以填充微小结构而导致的工艺困难。

23、第三，本发明仅需在双原子晶格中对偏心纳米圆盘设置偏心位移和旋转角，无需在纳米结构上加工纳米孔或缺口等复杂缺陷，降低了制备难度，有利于集成生产。在此基础上，通过将多个晶格单元组成超胞并设置旋转角呈梯度变化，即可实现几何相位调控，获得高圆偏振度的定向倾斜发光，无需手性材料或外部偏振光学器件，为高性能可编码偏振光源提供了简洁高效的解决方案。

1.一种偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述偏心纳米圆盘的材料为二氧化钛，其高度为100nm，直径为140nm～220nm。

3.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述晶格单元的晶格周期p为420nm～600nm，所述偏心位移为0nm～50nm。

4.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述发光层为掺杂有机染料分子的聚合物薄膜。

5.根据权利要求4所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述聚合物薄膜为掺杂0.1 wt%罗丹明101染料分子的聚乙烯醇薄膜，其厚度为440nm。

6.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，通过调节所述旋转角控制发射光的线偏振方向，线偏振光的偏振角与旋转角满足线性关系：或。

7.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述偏心位移与共振模式的品质因子满足，通过调节所述偏心位移调控品质因子和线宽，从而调节偏振光的发射强度。

8.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述双原子晶格阵列由n个晶格单元组成一个超胞，所述超胞内各晶格单元的旋转角呈梯度变化，以实现圆偏振光的定向发射。

9.根据权利要求1所述的偏振编码的高效定向发光超表面，其特征在于，所述双原子晶格阵列中，光场的近场增强区域位于所述晶格单元内所述偏心纳米圆盘之间的间隙中，与所述发光层具有高空间重叠度。

10.一种根据权利要求1至9任一项所述的偏振编码的高效定向发光超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：