CN101852884B - 一种双螺旋状金属线栅圆偏振器 - Google Patents
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Abstract
一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，属于光学器件，目的在于使其在可见光～近红外波段具有较宽的工作波长，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。本发明的圆偏振器，在石英玻璃基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，铝金属线栅为两个互相缠绕的双螺旋结构的螺旋线栅，两个螺旋线栅在基板上的起始点分处螺旋直径两端，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径40～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，螺旋直径100纳米，金属线栅间距190～290纳米，N≥106。本发明工作波长范围0.44～1.08μm，偏振消光比大于31∶1，偏振光透过率大于56％，适用于偏振分光、显示、激光等领域。
Description
技术领域
本发明属于光学器件，特别涉及一种双螺旋状金属线栅圆偏振器。
背景技术
圆偏振器是光学领域的一种重要偏振元器件，它在偏振分光、彩色显示、激光技术等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，通常做法是利用线偏振片和四分之一波片两个分离元器件构成圆偏振器，其工作原理是：光束通过线偏振片后成为线偏振光，然后再以一定偏振角度通过四分之一波片，最终得到圆偏振光。这种结构的缺点非常明显：1.工作波长范围较窄，这主要是因为四分之一波片的工作波长范围较窄，因此该结构不能得到宽波长范围的圆偏振光；2.该结构使用的是两个分离光学元件，因此器件尺寸大，不易集成。
利用单螺旋状金属线栅获得圆偏振光是在2009年9月由德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首先发现的，见Justyna K.Gansel，等.“Circular Polarizer Gold HelixPhotonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。他们所提出的器件为单螺旋结构，材料为金；由于所提出的螺旋状金属线栅尺寸过大，所使用的材料金在可见光、近红外范围内的光学特性受到限制，工作波长范围在3～6微米的红外波段，根本不能适用于可见光、近红外波段。
发明内容
本发明提出一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，目的在于使其在可见光～近红外波段具有较宽的工作波长范围，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。
本发明的一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，在基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅，其特征在于：
所述基板为石英玻璃；所述金属线栅为两个互相缠绕的双螺旋结构的螺旋线栅，两个螺旋线栅材料均为金属铝，两个螺旋线栅在基板上的起始点分处螺旋直径两端，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径40～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，螺旋直径100纳米，金属线栅间距190～290纳米，N≥106。
本发明的双螺旋状金属线栅圆偏振器的制备方法，包括下述步骤：
(1).在基板表面沉积导电膜；
(2).在导电膜上旋涂光刻胶；
(3).通过深紫外相干刻蚀，在光刻胶中形成几十纳米量级N个均匀分布的双螺旋状空气隙；
(4).通过电化学沉积，在N个均匀分布的双螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成双螺旋状的金属线栅；
(5).除去双螺旋状的金属线栅之间的光刻胶。
在制备过程中，步骤(3)和步骤(4)是比较重要的两个步骤。形成几十纳米线宽的结构对于一般光刻来讲有一定难度，2007年美国一研究小组成功的运用深紫外相干刻蚀的方法得到了大范围线宽小于40纳米的金属线栅结构，见J.J.Wang，F.Walters，X.M.Liu，P.Sciortino，and X.G.Deng，“High-performance，large area，deep ultraviolet to infrared polarizers based on 40nm line/78nm spacenanowire grids，”Appl.Phys.Lett.90，61104(2007)；这为步骤(3)的实施提供了依据。另外，运用电化学沉积的方法在螺旋结构中沉积金属材料也是完全可行的，见Justyna K.Gansel，等.“Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterialas Broadband，”Science 325，1513(2009)。
通过调整和优化双螺旋状金属纳米线栅的参数，如：螺旋线栅直径、螺旋周期数等，本发明工作波长范围可以达到0.44～1.08μm，偏振消光比大于31∶1，偏振光透过率大于56％，与背景技术部分对比文献中的单螺旋状圆偏振器相比，本发明能够获得宽50％的工作带宽，并能够工作在波长更短的可见光、近红外光谱范围，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成，适用于偏振分光、彩色显示、激光技术等领域。
附图说明
图1(a)为本发明的结构示意图；
图1(b)为本发明的俯视图；
图1(c)为本发明的侧视图；
图2为实施例1的光学特性曲线；
图3为实施例2的光学特性曲线；
图4为实施例3的光学特性曲线；
图5为实施例4的光学特性曲线；
图6为实施例5的光学特性曲线；
图7为实施例6的光学特性曲线；
图8(a)～图8(e)为本发明的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，本发明在基板1上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅2，所述基板1为石英玻璃；所述金属线栅为两个互相缠绕的双螺旋结构的螺旋线栅，两个螺旋线栅材料均为金属铝，两个螺旋线栅在基板上的起始点分处螺旋直径两端，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径SD为40～60纳米，螺旋状的螺旋周期数CN大于等于2周，螺旋周期间距CS为150～400纳米，螺旋直径CD为100纳米，金属线栅间距CW为190～290纳米，N≥106。
用时域有限差分(FDTD)算法分别模拟左旋圆偏光、右旋圆偏光经过本发明时，根据在0、1.25飞秒、2.5飞秒、3.75飞秒、5飞秒等不同时刻光场的分布，可看出左旋圆偏振光在经过本发明偏振器后，大部分能量被反射掉了，而右旋圆偏振光的大部分能量则可以顺利的通过本发明偏振器。
实施例1：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3，螺旋周期间距CS为200纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为190纳米；
图2所示为实施例1的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为0.44-1.08μm、56％、31∶1。
实施例2：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为60纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3，螺旋周期间距CS为200纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为190纳米；
图3所示为实施例2的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为0.46-1.13μm、49％、25∶1。
实施例3：石英玻璃基板1上沉积有107个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于2，螺旋周期间距CS为200纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为190纳米；
图4所示为实施例3的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为0.47-1.02μm、64％、20∶1。
实施例4：石英玻璃基板1上沉积有107个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3，螺旋周期间距CS为200纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为290纳米；
图5所示为实施例4的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为0.54-0.89μm、77％、27∶1。
实施例5：石英玻璃基板1上沉积有107个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3，螺旋周期间距CS为150纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为190纳米；
图6所示为实施例5的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为0.47-1.05μm、55％、18∶1。
实施例6：石英玻璃基板1上沉积有107个均匀分布的双螺旋状的铝金属线栅2，螺旋线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3，螺旋周期间距CS为400纳米，螺旋直径CD为100纳米，铝金属线栅间距CW为190纳米；
图7所示为实施例6的光学特性曲线，图中，空心矩形框描绘的曲线为右旋圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为左旋圆偏振光透过率，黑色实心框描绘的曲线为消光比；本实施例工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为1.1-1.3μm、68％、454∶1。
图8(a)～图8(e)所示为本发明的制备方法工艺流程图。图8(a)：在基板表面沉积导电膜；图8(b)：在导电膜上旋涂光刻胶；图8(c)：通过深紫外相干刻蚀，在光刻胶中形成几十纳米量级N个均匀分布的双螺旋状空气隙；图8(d)：通过电化学沉积，在N个均匀分布的双螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成双螺旋状的金属线栅；图8(e)：除去双螺旋状的金属线栅之间的光刻胶，最终形成双螺旋状金属线栅圆偏振器。
Claims (1)
1.一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，在基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅，其特征在于：
所述基板为石英玻璃；所述金属线栅为两个互相缠绕的双螺旋结构的螺旋线栅，两个螺旋线栅材料均为金属铝，两个螺旋线栅在基板上的起始点分处螺旋直径两端，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径为40～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于等于2，螺旋周期间距为150～400纳米，螺旋直径为100纳米，金属线栅间距为190～290纳米， N≥106。
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