李亚红、李满、魏文浩、褚金奎、邹念育、姜珊等研究人员在2024年7月于《Journal of Applied Optics》期刊上发表了一项关于可见光偏振调控的研究。该研究基于多变量纳米线栅复合结构，旨在提高偏振显微镜在可见光波段的高精度检测能力，特别是在提高偏振消光比的同时保持高光利用率。这项研究属于类型a，即单篇原创研究。

研究背景与目标

偏振调控技术在光学检测中具有重要意义，尤其是在偏光显微镜中，能够快速、高精度地识别和检测微观结构。然而，传统偏振片在实现偏振调控时会损失约50%的入射光，导致光利用率降低。随着微纳加工技术的发展，亚波长金属光栅因其对偏振特性的灵活调控能力，成为替代传统光学偏振元器件的潜在选择。本研究基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理，设计了一种多变量纳米线栅复合结构，旨在实现可见光波段的高透过率和高消光比。

研究流程

研究主要分为以下几个步骤：结构设计、仿真优化、样品制备与实验验证。

1. 结构设计

研究团队设计了一种多变量纳米线栅复合结构，由一层介质膜层和一层金属-介质-金属光栅组成。介质膜层作为增透膜，减少入射光的反射损失；金属-介质-金属光栅由铝和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料构成，光栅周期为200 nm，占空比为0.5，金属栅条高度为100 nm，介质栅条与金属栅条的高度差为20 nm。该结构通过类法布里-珀罗谐振腔（F-P谐振腔）和谐振增强效应，实现对TM模偏振光的高透射率和对TE模偏振光的高反射率。

2. 仿真优化

研究采用时域有限差分法（FDTD）对结构参数进行优化。通过数值仿真，分析了介质膜层厚度、线栅高度差、入射角度等参数对偏振性能的影响。仿真结果表明，当介质膜层厚度为45 nm时，TM模偏振光的透射率在600 nm波长处达到83%，消光比（ER）为61 dB。此外，研究还通过等高线图分析了工艺容差对偏振性能的影响，确保设计结构在实际制备中的可行性。

3. 样品制备与实验验证

结合实验室条件，研究团队采用纳米压印技术制备了纳米线栅复合结构样品。具体工艺流程包括：准备软膜、纳米压印、脱模和蒸镀金属铝。最终制备的光栅周期为200 nm，占空比为0.5，光栅脊高为120 nm，样品面积为1.3 mm×1.3 mm。通过扫描电子显微镜观察，制备的光栅各栅条平行排列，表面平滑，与理论值基本一致。

实验验证部分，研究团队搭建了测试装置，使用532 nm激光光源对样品的TM模和TE模偏振光透过率及消光比进行了测量。实验结果表明，TM模偏振光的透射率为64.99%，消光比为29.2 dB，与仿真结果的误差分别为4%和42%。误差主要来源于金属-介质光栅的吸收、制备工艺误差以及实验测量误差。

研究结果

通过仿真和实验验证，研究团队成功设计并制备了一种在可见光波段具有高透过率和高消光比的纳米线栅复合结构。具体结果如下： 1. 仿真结果：在450 nm～750 nm波长范围内，TM模偏振光的透射率大于50%，消光比大于30 dB。在600 nm波长处，TM模透射率达到83%，消光比为61 dB。 2. 实验结果：在532 nm波长处，TM模偏振光的透射率为64.99%，消光比为29.2 dB。尽管与仿真结果存在一定误差，但整体性能仍优于传统偏振片。

研究结论

本研究设计的多变量纳米线栅复合结构在可见光波段实现了高透过率和高消光比的偏振调控功能。与传统偏振片相比，该结构在保证高透过率的同时，消光比提升了1.5倍。这一成果为偏振显微镜的偏振调控提供了新的技术方案，能够有效降低光能损耗，提高检测精度和速度。

研究亮点

1. 创新性结构设计：基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理，设计了一种多变量纳米线栅复合结构，实现了对可见光偏振特性的灵活调控。
2. 高精度仿真优化：采用时域有限差分法（FDTD）对结构参数进行优化，确保了设计结构在实际制备中的可行性。
3. 高效制备工艺：结合纳米压印技术，成功制备了大面积、高精度的纳米线栅复合结构，为实际应用提供了技术保障。
4. 显著性能提升：与传统偏振片相比，该结构在可见光波段的透过率和消光比均有显著提升，具有重要的应用价值。

研究意义

本研究在可见光偏振调控领域取得了重要进展，不仅为偏振显微镜的高精度检测提供了新的技术方案，还为微纳光学器件的设计与制备提供了新的思路。其成果在生物医学、材料科学等领域具有广泛的应用前景。