金屬光柵偏振分束器及其制備方法
【專利摘要】一種金屬光柵偏振分束器，由多個重復的光柵單元組成，所述的光柵單元包括：位置左右相鄰的第一介質和第二介質、位于第一介質頂部的上層金屬、位于第二介質底部的下層金屬以及位于下層金屬與第一介質底部的襯底。本發明通過控制介質狹縫寬度小于工作波長TE偏振光的模式截止寬度，使TE偏振光無法在狹縫內傳播從而導致只有反射光，而通過控制光柵周期使得該偏振分束光柵只存在0級和±1級衍射，但是只有TM偏振光有衍射，因此形成TE偏振光被反射，TM偏振光被衍射和透射的偏振分束器。本發明實現寬波段、大角度范圍、反射/衍射偏振分束。
【專利說明】 金屬光柵偏振分束器及其制備方法
【技術領域】:
[0001]本專利涉及偏振光分束器件【技術領域】，特別是一種基于金屬光柵、利用表面等離子體波導截止效應產生的角度可調、橫電場反射、橫磁場衍射的寬光譜偏振光分束光柵。屬于光學領域中的偏振分束器件。
【背景技術】:
[0002]偏振光被廣泛的應用于現代光學技術和應用中，比如光通訊、光存儲、和光傳感等。偏振光分束器可以將入射的非偏振光分成偏振方向相互垂直的兩束光。進一步的，具有寬的入射角度范圍和寬工作光譜的大角度、寬帶偏振光分束器更有實際應用價值。
[0003]傳統偏振光分束器通常由雙折射晶體或多層介質膜等具有二向色性的物質構成，它們都對光的入射角度敏感，而且受到實際晶體和介質的折射率的限制。另外，晶體偏振分光器件體積大、價格貴；多層介質膜偏振分光器件加工復雜，工作帶寬小，這些都不能滿足當前光學器件高效化、小型化、集成化的要求。隨著微納加工技術的發展，具有優良偏振特性的亞波長光柵受到人們廣泛關注和研究，它具有體積小、易集成、和設計靈活的特點。
[0004]由于介質折射率的限制，介質光柵通常工作在紅外和中紅外光波領域。它的偏振效應是由光柵對TM (電場垂直于光柵方向)和TE (電場平行于光柵方向)偏振光的等效折射率不同而引起的。在干涉效應的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波長有關的特定的方向上。所以，介質光柵只能做成窄帶和特定入射角度的偏振分束器件。
[0005]而且不論介質光柵還是金屬光柵，人們研究的大多數是其透射性質，從而應用到透射式偏振片。中國專利CN1804667 “ 1550納米波長的石英透射偏振分束光柵”給出了一個用于1550納米波長的石英透射偏振分束光柵的具體結構參數。Y.Ekinci等人(“BilayerAl wire-grids as broadband andhigh-performance polarizers 雙層招線柵實現寬譜高性能偏振器”，Y.Ekinci, H.Solak, C.David, and H.Sigg, Optics Expressl4, 2323 (2006))增研究過IOOnm周期的雙層金屬線柵對可見光的透射性質，TM光的透射率大約50%，TE幾乎不能被透射。由于周期只有lOOnm，此時的衍射效應已經消失。也有少數關于反射式光柵偏振片的研究，但都是工作于某個波長或很窄的波段，以及某特殊入射角，更沒有考慮到寬光譜衍射和反射偏振分束。C.Lima等人(“Reflecting polarizing beamsplitter 反射式偏振光分束器” ,C.Lima, L.Soares, L.Cescato, and A.Gobbi, OpticsLetters203, 203 (1997))研究了單一波長633nm的光，以特定角度Littrow角入射到金屬基底的單層金屬光柵的偏振分光情況，同樣是在干涉效應的作用下，TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。中國專利CN102289014B “1053納米波段的金屬介質膜反射式偏振分束光柵”也提出一種反射式偏振分束器件，它要在石英基片上依次鍍制銀層、三層膜組成的高反射膜層、和介質光柵，由介質光柵對近紅外波段中的1053納米波長的入射光進行和偏振有關的相位干涉調制，最后光被反射，得以實現反射式偏振分光，其TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。
[0006]總之，之前對光柵偏振特性的研究都是利用光波的干涉效應，這就不可避免窄工作帶寬和特定入射角度。同時，從分光效果上看，都是TE被衍射，TM被反射。而沒有報道TM被衍射的同時TE被反射。要得到寬帶和大角度入射范圍的偏振分束器，需要利用金屬光柵。金屬光柵能夠激發和支持表面等離子體波，并且只有TM偏振光才能激發表面等離子體波。因此，任意波長的TM偏振光都可以以表面等離子體導波模式進入到金屬光柵中的狹縫；小于某個截止波長的TE偏振光可以以正常的導波模式進入金屬光柵，大于截止波長的TE光無法進入光柵。所以TM偏振光可以感受到光柵結構，從而在合適的光柵周期下被衍射。大于截止波長的TE偏振光感受不到光柵結構，相當于入射到一塊金屬平面上，從而幾乎被完全反射。具體原理見已經發表的文章J.0pt.Soc.Am.B, Vol.28，N0.3，2011，502-506。它完全區別于傳統的晶體、多層膜、或者介質光柵。以此為基礎可以制備成的表面等離子體偏振分束器，不僅在性能上有寬譜、廣角的特點，而且制備工藝簡單，適于大規模生產，易于集成化。
【發明內容】
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[0007]本發明針對上述現有技術的不足，提供一種金屬光柵偏振分束器及其制備方法，具有大角度入射范圍和寬工作波段。
[0008]本發明通過以下技術方案實現:
[0009]—種金屬光柵偏振分束器，其特點在于，由多個重復的光柵單兀組成，所述的光柵單元包括:位置左右相鄰的第一介質和第二介質、位于第一介質頂部的上層金屬、位于第二介質底部的下層金屬以及位于下層金屬與第一介質底部的襯底；
[0010]所述的上層金屬與下層金屬上下交錯排布；
[0011]所述的等高度的上層金屬、第二介質和上層金屬構成金屬-第二介質狹縫-金屬波導，所述的等高度下層金屬、第一介質光柵和下層金屬構成金屬-第一介質狹縫-金屬波導，第一介質狹縫與第二介質狹縫中至少有一種介質狹縫的寬度小于工作波長的橫電場偏振光對應的最低階模式截止寬度，以使得工作波長的TE偏振光(電場平行于光柵線條)不被衍射和透射，所述的上層金屬與下層金屬中至少一層金屬的厚度大于工作波段TE光的模式滲透深度。
[0012]所述的第二介質的寬度不大于金屬光柵周期減去第一介質光柵的寬度，所述的第一介質光柵的側面可以具有上層金屬。
[0013]所述的第一介質、第二介質的高度滿足法布里珀羅共振腔的干涉相消條件，使得工作波長TM反射光最小。
[0014]所述的上層金屬是單層金屬或混合多層含有金屬的薄膜，所述的下層金屬是單層金屬或混合多層含有金屬的薄膜。
[0015]所述的第一介質為對工作波長透明的材料，所述的第二介質對工作波長透明的材料，這兩種介質可以是單層均勻材料也可以是多層結構不同材料構成。
[0016]所述的第二介質的高度從下層金屬的頂部到上層金屬的頂部。
[0017]一種制備所述的金屬光柵偏振分束器的方法，其特點在于，包括如下步驟:
[0018]①利用光刻或納米壓印在襯底上制作第一介質光柵；
[0019]②采用蒸發或者濺射方式在第一介質光柵上蒸鍍一層金屬或者多層不同金屬，形成在橫向上[0020]有位移的分別位于第一介質光柵頂部和間隙的雙層金屬光柵或復合金屬光柵，即上層金屬
[0021]和下層金屬；
[0022]③在第一介質光柵間隙的下層金屬之上填入第二介質光柵。
[0023]本發明通過控制光柵的周期使得工作波長可以滿足光柵方程被衍射，通過控制金屬之間的介質狹縫寬度，使得工作波長的TE偏振光不能進入狹縫從而不具備衍射效應。
[0024]所述的上下兩層金屬光柵的厚度和金屬種類可以相同也可以不同。另外金屬光柵也可以包括單層或多層，每層的結構也可以不一樣；每層中，也可以是混合多層金屬光柵，或者混合金屬介質光柵。一種反射式偏振光分束器，其包括位于共同襯底之上的金屬和介質交替單層光柵。就制作工藝來講，雙層相同材料的金屬光柵最容易制備。
[0025]當采用透明襯底時，可以產生反射和透射混合型偏振分束器，其中衍射光和透射光的偏振態相同，都是電場垂直于光柵方向，即TM光,透射和衍射的波長不同,透射光對應波長長的部分，衍射光對應波長短的部分，其分界線為表面等離子體共振波長；反射光為電場平行于光柵方向的TE偏振光。當采用不透明襯底時，透射光被基底吸收，只形成反射式偏振分束器。
[0026]本發明工作原理如下:
[0027]在所需要的入射角度下，工作波長的至少-1級衍射光沿著平行于光柵面的波數小于光在空氣中或者和光柵直接接觸的介質中的波數，也就是衍射光能存在于空氣或者和光柵接觸的襯底介質中。 但是只有TM偏振光可以被衍射，而TE偏振光由于不能進入狹縫只能被反射。從而形成了 TM衍射而TE反射的偏振分束器。其中衍射在空氣中存在由公式I描述，而衍射在襯底中存在由公式2描述。其中n0為空氣的折射率、ns為襯底折射率、Θ為入射光在空氣面的入射角、T為光柵的周期、1?為光在真空中的波數。
[0028]k0n0 + konosin0 > ψ 1 Ms + Μ-?ηθ > y 2
[0029]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0030](I)金屬光柵周期較大，保證了 TM光可以被衍射，也就是以一定角度入射的工作波長能夠使得光柵的衍射方程有實數解。
[0031](2)采用了雙層金屬光柵結構，使得入射的TM光在第二層金屬層被高效率反射回來，再經過第一層衍射回空氣。該偏振分束光柵只存在反射中的O級和I級衍射，可以將TM偏振和TE偏振的入射光分別衍射到I級和O級反射光束中。而當采用單層金屬光柵的時候，可以獲得TM的反射和透射式的I級衍射，而TE光被反射回來。
[0032]( 3 )工藝簡單，成本低、適合大批量生產；
[0033](4)偏振光分束特性好、性能穩定可靠。通過簡單的參數設計可以實現多波段的、廣角寬譜反射式偏振分束性能。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0034]圖1為本發明金屬光柵偏振分束器的幾何結構示意圖。
[0035]圖2為本發明金屬光柵偏振分束器的第一種實施例圖。
[0036]圖3為實施示例I的利用模式展開軟件模擬設計得到的光柵周期為280納米的雙層金屬鋁光柵的反射、衍射和透射光譜圖。
[0037]圖4為實施示例2的利用模式展開軟件模擬設計得到的光柵周期為280納米的雙層金屬鋁光柵的反射、衍射和透射光譜圖。
[0038]圖5為實施示例3的商業軟件RSOFT模擬得到的光柵周期為8微米的雙層復合金屬光柵的反射、衍射和透射光譜圖。
[0039]圖6為實施例4的商業軟件RSOFT模擬得到的光柵周期330納米的單層金屬銀光柵的反射、衍射和透射光譜圖。
[0040]圖7為要得到15-30微米波段的TM衍射分光效。
[0041]圖8為實施例6的商業軟件RSOFT模擬得到的，當入射光波長為600納米，入射角度為60度，從光柵空氣面入射情況下，在不同光柵周期和空氣狹縫寬度的情況下，不同偏振光的反射和衍射強度圖。
[0042]圖9為實施例7模擬的不同TM偏振光的反射譜線。
[0043]圖中:1-上層金屬,2.a-第一層介質光柵,2.b-第二層介質光柵,3-下層金屬，4-襯底，5-入射TM光，6-強烈的TM衍射光，7-微弱的TM反射光，8-入射TE光，9-微弱的TE衍射光，10-強烈的TE反射光。
【具體實施方式】:
[0044]下面結合附圖和實施例對本發明做詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0045]制備方式:工作波段覆蓋整個可見光范圍的、反射式、雙層金屬光柵表面等離子體偏振光分束器的制備過程。
[0046](I)在硅片或BK7玻璃襯底上采用納米壓抑或光刻技術制備出周期420納米、第一介質光柵2.a的寬度為周期的50%、厚度為110納米的PMMA介質光柵。此時空氣狹縫的寬度為210納米，450納米以上的TE偏振光被介質無法進入狹縫內。
[0047](2)用蒸發或者濺射技術在制備好的介質光柵上覆蓋厚度為30nm的金屬鋁。即制備出雙層金屬光柵偏振器，其結構如圖1所示。如果利用蒸發方式，側壁會有金屬，降低介質狹縫的實際厚度，提高TE的反射效率，如圖2所示，上層金屬光柵會出現小的“帽沿”。
[0048]入射到金屬光柵的TM光被反射到-1級衍射方向，TE光被反射到O級衍射方向。入射角度越大，工作波段越寬；當入射角度大于50度后，工作波段可覆蓋整個可見光波段。當襯底采用對可見光吸收的硅材料時，不存在透射光。當襯底采用透明的BK7玻璃時，不能被衍射的可見TM光被透射，而可見TE光始終主要被反射。
[0049]實施例1:一種雙層金屬光柵的TM衍射/TE反射/TM透射的三通道可見光波段等離子體偏振分束器件。
[0050]結合商業軟件RSOFT的模擬結果圖3，光柵周期為280納米的雙層金屬鋁光柵的反射、衍射和透射光譜圖。第一介質光柵2.a和第二介質光柵2.b的寬度都為周期的一半,第一介質光柵2.a為PMMA，折射率1.5，第一介質光柵2.b為空氣，厚度為100納米，上層金屬光柵I和下層金屬光柵3都為鋁，其厚度都為60納米。模擬結果顯示TE光幾乎都被反射，波長短于410納米的TE光會被衍射一部分，衍射效率低于20%。波長短于560nm的TM光主要被衍射，衍射效率可以達到85% ;入射角度越大,衍射波段越寬,入射角大于70度時,衍射波段覆蓋波長小于560納米的可見光；其余長波長TM光主要被透射，透射效率達到50%，入射角度越小，透射波段越寬；入射角大約為O度時,透射波段覆蓋波長大于560納米的可見光。
[0051]實施例2:—種采用雙層金屬介質復合光柵的可見光波段等離子體偏振分束器件，在圖1器件結構的基礎上，分別在上層金屬光柵I和下層金屬光柵3上再覆蓋一層厚度都是10納米的減反射氟化鎂介質層其折射率都為1.2。由RSOFT模擬得到反射、衍射和透射光譜圖，見圖4，圖的橫坐標為入射角度，單位是度。縱坐標為入射光波長，單位是微米。由圖可知，TM的反射被降低，尤其是長波長波段反射由10%最多降到了 1% ;同時透射增強到60%，某些波長提高了五六倍；衍射也有所增強。TE光的光譜變化不大。可見雙層金屬光柵上合理覆蓋抗反射介質層可以提高等離子體偏振分束器件性能。
[0052]實施例3:—種采用雙層復合金屬光柵的THz波段等離子體偏振分束器件，第一介質光柵2.a和第二介質光柵2.b的寬度都為周期的一半,第一介質光柵2.a為PMMA (折射率1.5)，厚度為2.5微米，結合附圖5，光柵周期為8微米的雙層復合金屬光柵的反射、衍射和透射光譜圖。介質光柵占空比為0.5，介質厚度為25微米，每層復合金屬光柵1、3由鉻-鋁-鉻組成，鋁的厚度為1.2微米，鉻的厚度都為10納米。上下兩層復合金屬光柵的結構相同。鉻的作用是增加金屬和介質的粘連性。模擬結果表明，此復合金屬光柵可以用于THz波段的偏振分束。TE反射/TM衍射/TM透射都可以達到80%以上的效率，TE反射幾乎達到100%，而且偏振抑制比很高。
[0053]實施例4:一種單層金屬光柵的可見光波段等離子體偏振分束器件。
[0054]結合附圖6，光柵周期為330納米的單層金屬銀光柵的反射、衍射和透射光譜圖。金屬銀厚度為100納米，光柵占空比為0.5。模擬結果表明此單層金屬光柵可以得倒TM衍射/TE反射/TM透射的三通道偏振分束特性。
[0055]實施例5:要獲得某THz波段的TM光衍射分光需要的金屬光柵最短周期。
[0056]結合附圖7，要得到15-30微米波段的TM衍射分光效果，所需的金屬鋁光柵最短周期。由光柵方程計算得到。結果表明光柵周期范圍大概在所需工作波長的一半到一倍波長范圍。
[0057]實施例6:要得到入射光波長為600納米，入射角度為60度情況下的高抑制比偏
振分光所需的光柵空氣狹縫寬度范圍。
[0058]結合附圖8，RSOFT模擬得到的雙層鋁光柵，在不同周期和空氣狹縫寬度的情況下的，不同偏振光的反射和衍射光譜圖。模擬結果表明，要得到入射光波長為600納米，入射角度為60度情況下的高抑制比偏振分光，需要光柵周期范圍為330納米-600納米，空氣狹縫寬度范圍為100納米-250納米，此時TM衍射效率在80%以上，TE反射效率在95%以上，TM反射和TE衍射效率都低于10%。
[0059]實施例7:TM偏振光的反射譜線。入射光角度50度,上層金屬光柵I的頂面入射。光柵為雙層招光柵，金屬層厚度都為30nm。第一介質光柵2.a和第二介質光柵2.b分別為PMMA和空氣，寬度為210納米。光柵周期為420nm。可以看到不同的高度對應不同的反射效率。例如為了使600納米的TM偏振光反射最低,第一介質光柵2.a和第二介質光柵2.b的高度為110納米-130納米,這時候因為滿足干涉相消。
【權利要求】
1.一種金屬光柵偏振分束器，其特征在于，由多個重復的光柵單元組成，所述的光柵單元包括:位置左右相鄰的第一介質(2.a)和第二介質(2.b)、位于第一介質(2.a)頂部的上層金屬(I)、位于第二介質(2.b)底部的下層金屬(3)以及位于下層金屬(3)與第一介質(2.a)底部的襯底(4)； 所述的上層金屬(I)與下層金屬(3)上下交錯排布； 所述的等高度的上層金屬(I)、第二介質(2.b)和上層金屬(I)構成金屬-第二介質狹縫-金屬波導，所述的等高度下層金屬(3)、第一介質光柵(2.a)和下層金屬(3)構成金屬-第一介質狹縫-金屬波導，第一介質狹縫與第二介質狹縫中至少有一種介質狹縫的寬度小于工作波長的橫電場偏振光對應的最低階模式截止寬度，以使得工作波長的TE偏振光(電場平行于光柵線條)不被衍射和透射，所述的上層金屬(I)與下層金屬(3)中至少一層金屬的厚度大于工作波段TE光的模式滲透深度。
2.根據權利要求1所述的金屬光柵偏振分束器，其特征在于，所述的第二介質(2.b)的寬度不大于金屬光柵周期減去第一介質光柵(2.a)的寬度，所述的第一介質光柵(2.a)的側面具有上層金屬(I)。
3.根據權利要求1所述的金屬光柵偏振分束器，其特征在于，所述的第一介質(2.a)、第二介質(2.b)的高度滿足法布里珀羅共振腔的干涉相消條件，使得工作波長TM反射光最小。
4.根據權利要求1所述的金屬光柵偏振分束器，其特征在于，所述的上層金屬(I)是單層金屬或混合多層含有金屬的薄膜，所述的下層金屬(3)是單層金屬或混合多層含有金屬的薄膜。
5.根據權利要求1所述的金屬光柵偏振分束器，其特征在于，所述的第一介質(2.a)為對工作波長透明的材料，所述的第二介質(2.b)對工作波長透明的材料，這兩種介質是單層均勻材料或是多層結構不同材料構成。
6.根據權利要求1和5所述的金屬光柵偏振分束器，其特征在于所述的第二介質(2.b)的高度從下層金屬(3)的頂部到上層金屬(I)的頂部。
7.一種制備權利要求1所述的金屬光柵偏振分束器的方法，其特征在于，包括如下步驟: ①利用光刻或納米壓印在襯底(4)上制作第一介質光柵(2.a)； ②米用蒸發或者派射方式在第一介質光柵(2.a)上蒸鍍一層金屬或者多層不同金屬，形成在橫向上有位移的分別位于第一介質光柵(2.a)頂部和間隙的雙層金屬光柵或復合金屬光柵，即上層金屬(I)和下層金屬(3)； ③在第一介質光柵(2.a)間隙的下層金屬(3)之上填入第二介質光柵(2.b)。
【文檔編號】G02B6/126GK103777274SQ201410066616
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】葉志成, 鄭君 申請人:上海交通大學