CN102230987B - 一种椭圆光偏振器 - Google Patents
一种椭圆光偏振器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102230987B CN102230987B CN201110192038XA CN201110192038A CN102230987B CN 102230987 B CN102230987 B CN 102230987B CN 201110192038X A CN201110192038X A CN 201110192038XA CN 201110192038 A CN201110192038 A CN 201110192038A CN 102230987 B CN102230987 B CN 102230987B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nanometers
- oval
- light
- wire grating
- polarizer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
一种椭圆光偏振器，属于光学器件，目的在于使其在可见光～近红外波段产生椭圆偏振光，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铝材料的金属线栅，所述金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径30～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于或等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，椭圆形长轴60～100纳米，椭圆形短轴30～50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向为170～220纳米，在椭圆形短轴方向为310～410纳米，N≥106。本发明工作波长范围0.5～0.99μm，偏振消光比大于15∶1，偏振光透过率大于70％，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，特别涉及一种椭圆光偏振器。
背景技术
椭圆光偏振器是光学领域的一种偏振元器件，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椭圆光偏振器，其工作原理是：光束通过线偏振片后成为线偏振光，然后垂直入射到四分之一波片表面，得到振动方向正交的o光和e光两个分量。两个分量因传播速度不同而产生相位差，进而得到输出为椭圆偏振的光。这种结构的缺点非常明显：1.工作波长范围较窄，该结构不能得到宽波长范围的椭圆偏振光；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。
利用螺旋状金属线栅制备光学偏振器件是在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 PolarizerGold Helix Photonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。他们所提出的螺旋结构为圆形，因此只能产生圆偏振光，而不能产生椭圆偏振光；另外他们所使用的材料为金，金在可见光、近红外范围内的光学特性受到限制，因此他们提出的偏振器件工作波长在3～6微米的红外波段，根本不能适用于可见光、近红外波段。
申请人于2010年3月提出过申请号201010120798.5，名称为《一种螺旋状金属线栅圆偏振器》的发明专利申请，该金属线栅圆偏振器在石英玻璃基板上沉积有均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，螺旋状的投影为圆形，能够工作在可见光光谱范围，产生圆偏振光。
发明内容
本发明提出一种椭圆光偏振器，目的在于使其在可见光～近红外波段产生椭圆偏振光，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。
本发明的一种椭圆光偏振器，在石英玻璃基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅，金属线栅的材料为铝，其特征在于：
所述金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径30～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于或等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，椭圆形长轴60～100纳米，椭圆形短轴30～50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向为170～220纳米，在椭圆形短轴方向为310～410纳米，N≥106。
本发明的椭圆光偏振器的制备方法，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个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙；
(4).通过电化学沉积，在N个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成投影是椭圆形的螺旋状金属线栅；
(5).除去椭圆形螺旋状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 space nanowire 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 GoldHelix Photonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。
从原理上来说，圆偏振光只是椭圆偏振光的一个特殊情况。圆偏振光的产生实际上是两个相互正交的线偏振光，在保证其振幅相等，相位相差90度的情况下获得的合成光。而对于椭圆偏振光而言，任意两个相互正交的线偏振光的合成都可以产生某一特定的椭圆偏振光。因此，在原理上，本发明大大拓展了现有技术的内容，涵盖了现有技术，而且从圆偏振光是椭圆偏振光的特例这一角度出发，椭圆光偏振器的提出是一个质的飞跃和创新，不是显而易见的产物。
通过调整和优化椭圆形螺旋状金属线栅的参数，如：金属线栅直径、螺旋周期数等，本发明工作波长范围可以达到0.5～0.99μm，偏振消光比大于15∶1，偏振光透过率大于70％，与背景技术部分对比文献中的圆偏振器相比，本发明能够实现椭圆光的输出，将螺旋金属线栅光学偏振器件的应用范围从圆偏振光扩大到了椭圆偏振光，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，金属线栅的材料为铝，
所述金属线栅1的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径30～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于或等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，椭圆形长轴60～100纳米，椭圆形短轴30～50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向为170～220纳米，在椭圆形短轴方向为310～410纳米，N≥106。
用时域有限差分(FDTD)算法分别模拟左旋椭圆偏光、右旋椭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，可看出右旋椭圆偏振光在经过本发明偏振器后，大部分能量被反射掉了，而左旋椭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：石英玻璃基板上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为30纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3周，螺旋周期间距CS为200纳米，椭圆形长轴CDL为60纳米，椭圆形短轴CDS为30纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为170纳米，在椭圆形短轴方向CWS为310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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.69-1.09μm、74％、13∶1。
实施例2：石英玻璃基板上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为60纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3周，螺旋周期间距CS为200纳米，椭圆形长轴CDL为100纳米，椭圆形短轴CDS为50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为170纳米，在椭圆形短轴方向CWS为310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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.5-0.99μm、71％、150∶1。
实施例3：石英玻璃基板上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于2周，螺旋周期间距CS为200纳米，椭圆形长轴CDL为80纳米，椭圆形短轴CDS为40纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为170纳米，在椭圆形短轴方向CWS为310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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.65-0.88μm、83％、15∶1。
实施例4：石英玻璃基板上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3周，螺旋周期间距CS为200纳米，椭圆形长轴CDL为80纳米，椭圆形短轴CDS为40纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为220纳米，在椭圆形短轴方向CWS为410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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.64-0.99μm、85％、23∶1。
实施例5：石英玻璃基板上沉积有106个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3周，螺旋周期间距CS为150纳米，椭圆形长轴CDL为60纳米，椭圆形短轴CDS为50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为170纳米，在椭圆形短轴方向CWS为310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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.56-0.97μm、72％、23∶1。
实施例6：石英玻璃基板上沉积有107个均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，
金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径SD为40纳米，螺旋状的螺旋周期数CN等于3周，螺旋周期间距CS为400纳米，椭圆形长轴CDL为100纳米，椭圆形短轴CDS为30纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向CWL为170纳米，在椭圆形短轴方向CWS为310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左旋椭圆偏振光透过率，空心三角形框描绘的曲线为右旋椭圆偏振光透过率，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0.69-1.16μm、81％、47∶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个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙；图8(d)：通过电化学沉积，在N个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成投影是椭圆形的螺旋状金属线栅；图8(e)：除去椭圆形螺旋状金属线栅之间的光刻胶，最终形成椭圆形螺旋状金属线栅的椭圆偏振器。
Claims (1)
1.一种椭圆光偏振器，在石英玻璃基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅，金属线栅的材料为铝，其特征在于：
所述金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径30～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于或等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，椭圆形长轴60～100纳米，椭圆形短轴30～50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向为170～220纳米，在椭圆形短轴方向为310～410纳米，N≥106。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110192038XA CN102230987B (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种椭圆光偏振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110192038XA CN102230987B (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种椭圆光偏振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102230987A CN102230987A (zh) | 2011-11-02 |
| CN102230987B true CN102230987B (zh) | 2012-07-25 |
Family
ID=44843573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110192038XA Expired - Fee Related CN102230987B (zh) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | 一种椭圆光偏振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102230987B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105137520B (zh) * | 2015-09-22 | 2017-06-27 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 渐变螺旋金属手性超材料圆偏振器 |
| CN105404013B (zh) * | 2015-11-27 | 2018-02-16 | 国网浙江省电力公司 | 一种圆偏振光分束器及其制作方法 |
| WO2018221598A1 (ja) * | 2017-06-02 | 2018-12-06 | 日本化薬株式会社 | 赤外域及び可視域の光制御装置 |
| JP7386525B2 (ja) | 2019-03-20 | 2023-11-27 | 国立大学法人電気通信大学 | 円二色性フィルタ、光学素子、有機エレクトロルミネッセンス素子、及び円二色性フィルタの製造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1602345A (zh) * | 2001-12-12 | 2005-03-30 | 默克专利股份有限公司 | 双轴膜 |
| EP1826592A2 (en) * | 1999-04-20 | 2007-08-29 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Polarized light extraction optical element |
| CN101782666A (zh) * | 2010-03-05 | 2010-07-21 | 华中科技大学 | 一种螺旋状金属线栅圆偏振器 |
| CN101852884A (zh) * | 2010-07-01 | 2010-10-06 | 华中科技大学 | 一种双螺旋状金属线栅圆偏振器 |
| CN102073088A (zh) * | 2010-12-28 | 2011-05-25 | 华中科技大学 | 螺旋状金属线栅圆偏振器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3488919B2 (ja) * | 1999-05-20 | 2004-01-19 | 日本電信電話株式会社 | フォトニック結晶の作製方法 |
-
2011
- 2011-07-08 CN CN201110192038XA patent/CN102230987B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1826592A2 (en) * | 1999-04-20 | 2007-08-29 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Polarized light extraction optical element |
| CN1602345A (zh) * | 2001-12-12 | 2005-03-30 | 默克专利股份有限公司 | 双轴膜 |
| CN101782666A (zh) * | 2010-03-05 | 2010-07-21 | 华中科技大学 | 一种螺旋状金属线栅圆偏振器 |
| CN101852884A (zh) * | 2010-07-01 | 2010-10-06 | 华中科技大学 | 一种双螺旋状金属线栅圆偏振器 |
| CN102073088A (zh) * | 2010-12-28 | 2011-05-25 | 华中科技大学 | 螺旋状金属线栅圆偏振器 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| J. Gansel, et al..GOLD HELIX PHOTONIC METAMATERIAL AS BROADBAND CIRCULAR POLARIZER.《science》.2009,第325卷全文. * |
| Z.Y.YANG, et. al.A NUMERICAL STUDY ON HELIX NANOWIRE METAMATERIALS AS OPTICAL CIRCULAR POLARIZERS IN THE VISIBLE REGION.《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》.2010,第22卷(第17期),1303-1305. * |
| ZHEN YU YANG, ET AL.SIMILAR STRCTURES, DIFFERENT CHARACTERISTICS: OPTICAL PERFORMANCES OF CIRCULAR POLARIZERS WITH SINGLE- AND DOUBLE-HELICAL METAMATERIALS.《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》.2010,第28卷(第21期),3055-3061. * |
| ZHENYU YANG, ET AL.HWO TO IMPROVE THE SIGNAL-TO-NOISE RATIO OFR CIRCULAR POLARIZERS CONSISTING OF HELICAL METAMATERALS?.《OPTICS EXPRESS》.2011,第19卷(第5期),4255-4260. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102230987A (zh) | 2011-11-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101782666B (zh) | 一种螺旋状金属线栅圆偏振器 | |
| Manjappa et al. | Lattice-induced transparency in planar metamaterials | |
| Czaplicki et al. | Less is more: Enhancement of second-harmonic generation from metasurfaces by reduced nanoparticle density | |
| Meinzer et al. | Plasmonic meta-atoms and metasurfaces | |
| Decker et al. | Resonant dielectric nanostructures: a low-loss platform for functional nanophotonics | |
| Fan et al. | Tunable terahertz meta-surface with graphene cut-wires | |
| Ma et al. | Terahertz all-dielectric magnetic mirror metasurfaces | |
| CN101852884B (zh) | 一种双螺旋状金属线栅圆偏振器 | |
| US9507064B2 (en) | Dielectric metasurface optical elements | |
| Rhee et al. | Metamaterial-based perfect absorbers | |
| Burresi et al. | Complex photonic structures for light harvesting | |
| CN102230987B (zh) | 一种椭圆光偏振器 | |
| CN110673242B (zh) | 一种偏振可调谐硅基光学吸波器及其制备方法 | |
| CN110687622B (zh) | 一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制备方法 | |
| Li et al. | Terahertz broadband-stop filters | |
| Cognée et al. | Generation of pure OAM beams with a single state of polarization by antenna-decorated microdisk resonators | |
| Schirato et al. | All-optically reconfigurable plasmonic metagrating for ultrafast diffraction management | |
| Masouleh et al. | Optimization of light transmission efficiency for nano-grating assisted MSM-PDs by varying physical parameters | |
| Yu et al. | High-Q absorption in all-dielectric photonics assisted by metamirrors | |
| Yang et al. | Hybridization of plasmonic and dielectric metasurfaces with asymmetric absorption enhancement | |
| Singh et al. | Chemical vapor deposition of spherical amorphous selenium Mie resonators for infrared meta-optics | |
| Liu et al. | Optical vector vortex generation by spherulites with cylindrical anisotropy | |
| CN102073088B (zh) | 螺旋状金属线栅圆偏振器 | |
| Chen et al. | Planar terahertz metamaterial with three-resonant frequencies | |
| Chen et al. | Reflective plasmonic waveplates based on metal–insulator–metal subwavelength rectangular annular arrays |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120725 Termination date: 20140708 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |