CN101435890A - 亚波长金属光栅偏振器 - Google Patents
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Abstract
亚波长金属光栅偏振器，属于光学偏振器件，具体涉及一种线栅偏振器，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题。本发明在基底上具有金属条纹光栅，金属条纹光栅表面具有保护层，基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一界面具有多层介质减反膜层，多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。本发明在入射光和出射光两个界面增加了相应的光学薄膜，使透过率和偏振消光比得到较大提高，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题；能够单独作为光学起偏器或检偏器使用；也能够作为激光器输出耦合镜，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐；可用于光学测量、光通信、激光等领域。
Description
技术领域
本发明属于光学偏振器件，具体涉及一种线栅偏振器，可用于光学测量、光通信、激光等领域。
背景技术
偏振器件一般可分为反射及折射偏振器、二向色性偏振器、双折射晶体偏振器等传统器件和线栅偏振器。传统的偏振器件体积过大，不能利用MEMS工艺制作及集成，例如，使用双折射晶体偏振器件时光线必须斜入射，因此要求光学系统结构是三维的，同时也提高了光学系统集成化的难度。光栅的周期小于入射光的波长称为亚波长光栅，亚波长金属光栅偏振器属线栅偏振器中的一种，器件体积小、结构紧凑、易于集成，且能利用MEMS工艺制作，具有巨大的应用前景。
1998年Ebbesen等人报道：当一束光垂直通过有着周期性排列小孔的金属膜时，在某些特定波长上有非常大的透过率增强，而根据经典的孔径理论，一束波长为λ的光通过直径为d(d<λ)的小孔时，透过率应该在(d/λ)4左右，亦即对于波长为900nm左右的光通过直径为150nm小孔的透过率应约为0.001，但实验结果约为4％(远场探测值)；见EbbesenT W，Lezec HJ，Ghaeml H F，Thio T and WolffP A 1998，Nature 391 667。紧接着，
等人用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅数值解，从理论上证明了一维金属光栅同样具有这种增强效应，尽管一维金属光栅与Ebbesen等人的二维小孔列阵结构不同，光在光栅狭缝与小孔中存在的模式也不完全相同，但由于一维光栅表现出与Ebbesen等人的实验结果相同的透射光学特性；见 U and He itmann D 1998 Phys.Rev.58 15419。由于这种增强效应在光场局域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力。很多研究者制作了各种各样的亚波长金属光栅偏振器。我国张娜等人设计的亚波长金属光栅偏振器比较有代表性，见张娜、褚金奎、赵开春等，“基于严格耦合波理论的亚波长金属光栅偏振器设计”[J].传感技术学报，2006，19(5)：1739～1743。
但是，现有这些亚波长金属光栅偏振器的透过率和消光比不够高，原因是没有考虑光的入射界面和出射界面的反射损耗。
与他们相比，本发明基于光的干涉原理，根据不同用途，在两个界面专门设计了相应的光学薄膜，使得透过率和消光比得到较大提高。
发明内容
本发明提出一种亚波长金属光栅偏振器，在入射光和出射光两个界面增加了相应的光学薄膜，使透过率和偏振消光比得到较大提高，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题。
本发明的一种亚波长金属光栅偏振器，在基底上具有金属条纹光栅，金属条纹光栅表面具有保护层，其特征在于：
所述基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一界面具有多层介质减反膜层，所述多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。
所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于：
所述基底为各自波段对应的光学材料；
所述金属条纹光栅的参数：光栅周期p<λ/n，λ是入射光波长，n是基底折射率；光栅占空比为0.4～0.6，光栅沟槽深度与宽度比为5∶1～1∶3；
所述金属条纹光栅的材料视不同波段需要，为金、银、钼、铝或铜中的一种；
所述保护层的厚度小于40nm，材料种类视具体波段而定。
所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于：
所述多层介质减反膜层为对应于各自波段的减反膜层；
所述多层介质膜层为对应于各自波段的减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。
本发明在入射光和出射光两个界面增加了相应的光学薄膜，使透过率和偏振消光比得到较大提高，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题；能够单独作为光学起偏器或检偏器使用；也能够作为激光器输出耦合镜，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明应用于激光谐振腔的示意图；输出耦合镜6实际是一个亚波长金属光栅起偏器，7是激光介质，8是全反射镜。
图3为本发明的制作过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由多层介质减反膜层1、基底2、多层介质膜层3、金属条纹光栅4、保护层5构成。图中，光栅周期p，金属条纹宽度w。
实施例1
作为CO2激光亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1和多层介质膜层3相同，均由ZnSe膜层和YF3膜层构成，光学厚度各为2.86μm和5.94μm；多层介质减反膜层1中，YF3膜层靠基底，ZnSe膜层在外层；多层介质膜层3中，YF3膜层靠基底，ZnSe膜层靠金属条纹光栅4；基底2是抛光的ZnSe晶体，基底两个抛光面未镀多层介质减反膜时，10.64μm波长处透过率70％，两面镀有多层介质减反膜层后，透过率在98％以上，金属条纹光栅4材料为金，周期2μm，占空比0.5，深度与宽度比为5∶1，这样光栅沟槽深度5μm，保护层5为YF3，厚度50nm.
实施例2：
作为YAG激光(532nm)亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1和多层介质膜层3均由ZrO2膜层和SiO2膜层构成，基底2是双面抛光的BK7玻璃；基底2两个抛光面没有镀多层介质减反膜时，532nm波长处透过率90％，两面镀有多层介质减反膜层后，透过率大于99％，金属条纹光栅4材料为铝，周期200nm，占空比0.5，深度与宽度比为5∶1，这样光栅沟槽深度500nm，保护层5为Al2O3，厚度30nm.
实施例3：
作为宽带亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1和多层介质膜层3是宽带多层减反膜，均由ZrO2膜层和MgF2膜层构成，基底2是BK7玻璃材料；基底两个抛光面没有镀多层介质减反膜时，波长400nm～1200nm范围透过率90％，两面镀有多层介质减反膜层后，透过率大于97％；金属条纹光栅4材料为铝，周期100nm，占空比0.5，深度与宽度比为2∶1，这样光栅沟槽深度100nm，保护层5为MgF2，厚度10nm。
实施例4：
如图2所示，本发明应用于激光谐振腔，激光谐振腔由光路上依次设置的输出耦合镜6、激光介质7和(CO2)激光全反射镜8构成；亚波长金属光栅作为CO2激光输出耦合镜6，其多层介质膜层1为10.6μm减反膜层，基底2材料是抛光的硒化锌ZnSe晶体，多层介质膜层3为增反膜，金属条纹光栅4的条纹为金，周期4μm，占空比0.4，深度与宽度比为1:3，这样光栅沟槽深度0.8μm；保护层5是YF3，厚度约0.05μm，亚波长光栅输出耦合镜1的透过率40％，
使用亚波长金属光栅作为二氧化碳激光输出耦合镜后，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐。
实施例5：
如图2所示，本发明应用于激光谐振腔，激光谐振腔由光路上依次设置的输出耦合镜6、激光介质7和(YAG)激光全反射镜8构成；亚波长金属光栅作为YAG激光(1.064μm)器输出耦合镜6，该输出耦合镜实际是一个亚波长金属光栅，多层介质膜层1为1.064μm减反膜层，基底材料2是抛光的BK7玻璃，多层介质膜层3为增反膜，金属条纹光栅4的条纹为金，周期0.6μm，深度与宽度比为1∶1，占空比0.6；光栅沟槽深度0.24μm，保护层5是YF3，亚波长光栅输出耦合镜1的透过率30％；
使用亚波长金属光栅作为YAG激光输出耦合镜后，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐。
如图3所示，本发明的制备方法为：
(1)对已经光学抛光的基底进行清洗；
(2)在基底光学抛光的两面分别沉积多层介质减反膜层1，多层介质膜层3；
(3)在多层介质膜层3上均匀涂敷一层光刻胶，光刻胶的类型和厚度视亚波长金属光栅偏振器透射光的波段而定；
(4)用紫外光刻工艺，在光刻胶表面形成光栅图形后，暴露出相应部分的多层介质膜层3；
(5)用磁控溅射法在暴露出相应部分的多层介质膜层3上沉积金属薄膜，金属薄膜厚度视亚波长金属光栅偏振器的波段而定；
(6)用磁控溅射法在金属薄膜上沉积保护层5，保护层材料种类、厚度，视具体波段而定；
(7)用光刻胶对应的去膜剂，去除表面剩余的光刻胶，纯水冲洗，氮气吹干，成为亚波长金属光栅偏振器。
在整个工艺中，紫外光刻工艺是关键，采用聚合物的纳米自成型方法，见Leonard F.Pease III等，“Self-formation of sub-60-nm half-pitchgratings with large areas through Fracturing，”NatureNanotechnology，Vol，2，Sep.2007，pp-545-548；该方法不需要预先制作掩模板，对线宽的控制比较方便，目前已制备出线宽小于60nm的线栅结构。
Claims (3)
1.一种亚波长金属光栅偏振器，在基底上具有金属条纹光栅，金属条纹光栅表面具有保护层，其特征在于：
所述基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一界面具有多层介质减反膜层，所述多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。
2.如权利要求1所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于：
所述基底为各自波段对应的光学材料；
所述金属条纹光栅的参数：光栅周期p<λ/n，λ是入射光波长，n是基底折射率；光栅占空比为0.4～0.6，光栅沟槽深度与宽度比为5∶1～1∶3；
所述金属条纹光栅的材料视不同波段需要，为金、银、钼、铝或铜中的一种；
所述保护层的厚度小于40nm，材料种类视具体波段而定。
3.如权利要求1或2所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于：
所述多层介质减反膜层为对应于各自波段的减反膜层；
所述多层介质膜层为对应于各自波段的减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。
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