CN102073088A - 螺旋状金属线栅圆偏振器 - Google Patents

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Abstract

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～近红外波段具有较高的信噪比，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。本发明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，所述铝金属线栅为M个互相缠绕的螺旋线栅，各螺旋线栅在基板上的起始点等间距分布在同一圆周上，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径20～30纳米，螺旋周期数等于3周，螺旋周期间距200纳米，螺旋直径100纳米，铝金属线栅间距190纳米，M≥3，N≥106。本发明信噪比可以达到37.7dB，工作波长范围可以达到0.49-1.34μm，偏振消光比大于270:1，偏振光透过率大于67%，适用于偏振分光、显示、激光等领域。

Description

螺旋状金属线栅圆偏振器
技术领域
本发明属于光学器件，特别涉及一种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 Helix Photonic 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，这种单螺旋结构器件的信噪比仅能达到10dB左右；而且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～近红外波段具有较高的信噪比，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。
本发明的一种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，所述基板为石英玻璃；其特征在于：
所述金属线栅为M个互相缠绕的螺旋线栅，各螺旋线栅材料均为金属铝，各螺旋线栅在基板上的起始点等间距的分布在同一圆周上，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径20～30纳米，螺旋周期数等于3周，螺旋周期间距200纳米，螺旋直径100纳米，金属线栅间距190纳米，M≥3，N≥106。
本发明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个均匀分布的空气隙，每个空气隙为M个互相缠绕的螺旋气隙；各螺旋气隙在基板上的起始点等间距的分布在同一圆周上，螺旋方向相同；
各螺旋气隙直径20～30纳米，螺旋周期数等于3周，螺旋周期间距200纳米，螺旋直径100纳米，空气隙间距190纳米，M≥3，N≥106；
(4).通过电化学沉积，在N个均匀分布的空气隙中沉积金属铝材料，每个空气隙内形成M个互相缠绕的螺旋线栅；
(5).除去各空气隙内螺旋线栅之间的光刻胶。
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，deepultraviolet 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 PolarizerGold Helix Photonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。
通过调整和优化多螺旋状金属纳米线栅的参数，如：螺旋线栅直径、螺旋线栅数等，本发明信噪比可以达到37.7dB，工作波长范围可以达到0.49-1.34μm，偏振消光比大于270∶1，偏振光透过率大于67％，与背景技术部分对比文献中的单螺旋状圆偏振器相比，本发明能够获得高两个数量级的信噪比，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为本发明的立体示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的侧视图；
图4(a)为实施例1的透过率和消光比特性曲线；
图4(b)为实施例1的信噪比曲线；
图5(a)为实施例2的透过率和消光比特性曲线；
图5(b)为实施例2的信噪比曲线；
图6(a)为实施例3的透过率和消光比特性曲线；
图6(b)为实施例3的信噪比曲线；
图7(a)为实施例4的透过率和消光比特性曲线；
图7(b)为实施例4的信噪比曲线；
图8(a)为实施例5的透过率和消光比特性曲线；
图8(b)为实施例5的信噪比曲线；
图9(a)～图9(e)为本发明的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明在石英玻璃基板1上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅2，所述金属线栅为M个互相缠绕的螺旋线栅，各螺旋线栅材料均为金属铝，各螺旋线栅在基板上的起始点等间距的分布在同一圆周上，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径20～30纳米，螺旋周期数等于3周，螺旋周期间距200纳米，螺旋直径100纳米，金属线栅间距190纳米，M≥3，N≥106。
实施例1：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅2，每个金属线栅为3个互相缠绕的螺旋线栅，螺旋线栅直径SD为30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4(a)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；图4(b)中曲线为信噪比。本实施例平均信噪比、工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为41.0dB、0.47-1.051.11-1.31μm、64％、186∶1。
实施例2：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的多螺旋状的铝金属线栅2，每个金属线栅为4个互相缠绕的螺旋线栅，螺旋线栅直径SD为30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5(a)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；图5(b)中曲线为信噪比。本实施例平均信噪比、工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为37.7dB、0.49-1.34μm、67％、270∶1。
实施例3：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的多螺旋状的铝金属线栅2，每个金属线栅为3个互相缠绕的螺旋线栅，螺旋线栅直径SD为20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6(a)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；图6(b)中曲线为信噪比。本实施例平均信噪比、工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为35.2dB、0.59-1.23μm、53％、42∶1。
实施例4：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的多螺旋状的铝金属线栅2，每个金属线栅为4个互相缠绕的螺旋线栅，螺旋线栅直径SD为20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7(a)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；图7(b)中曲线为信噪比。本实施例平均信噪比、工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为37.1dB、0.54-1.29μm、58％、55∶1。
实施例5：石英玻璃基板1上沉积有106个均匀分布的多螺旋状的铝金属线栅2，每个金属线栅为6个互相缠绕的螺旋线栅，螺旋线栅直径SD为20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8(a)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；图8(b)中曲线为信噪比。本实施例平均信噪比、工作波长范围、平均透过率、平均消光比分别为39.4dB、0.53-1.35μm、67％、72∶1。
图9(a)～图9(e)所示为本发明的制备方法工艺流程图。图9(a)：在基板表面沉积导电膜；图9(b)：在导电膜上旋涂光刻胶；图9(c)：通过深紫外相干刻蚀，在光刻胶中形成几十纳米量级N个均匀分布的多螺旋状空气隙；图9(d)：通过电化学沉积，在N个均匀分布的多螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成多螺旋状的金属线栅；图9(e)：除去多螺旋状的金属线栅之间的光刻胶，最终形成多螺旋状金属线栅圆偏振器。

Claims (1)

1.一种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，所述基板为石英玻璃；其特征在于：
所述金属线栅为M个互相缠绕的螺旋线栅，各螺旋线栅材料均为金属铝，各螺旋线栅在基板上的起始点等间距分布在同一圆周上，螺旋方向相同；各螺旋线栅直径20～30纳米，螺旋周期数等于3周，螺旋周期间距200纳米，螺旋直径100纳米，金属线栅间距190纳米，M≥3， N≥106。
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