CN102879849A

CN102879849A - 一种亚波长光栅结构偏振片

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Publication number: CN102879849A
Application number: CN2012104191899A
Authority: CN
Inventors: 周云; 陈林森; 申溯; 叶燕
Original assignee: Svg Optronics Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102879849B

Abstract

本发明公开了一种亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，第一金属层位于介质光栅的脊部，第二金属层位于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度，介质光栅的脊部高度大于第一金属层的高度和第二金属层的高度。与现有的双层金属光栅结构相比，本发明中第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度，使得更多的能量集中在第一金属层与第二金属层之间，最终提高了宽波段、大入射角度范围TM偏振光的透射效率。

Description

一种亚波长光栅结构偏振片

技术领域

本发明涉及一种偏振片，具体涉及一种亚波长光栅结构偏振片，可应用于液晶显示、光通信等领域。

背景技术

偏振片是液晶显示、光学测量、光通信等系统中使用的一种非常重要的光学组件，具有非常广阔的市场。这些系统中要求偏振片具有高消光比、宽广的入射角度范围和非常紧凑的体积。传统的偏振片体积过大、制作过程复杂，而且仅仅在较小的波长范围内具有大的消光比，已经不能满足显示、光通信等行业轻量型、超薄型、低成本的要求。因此，如何设计结构紧凑、易于加工、性价比高的偏振片，成为该领域研究发展的趋势。

研究发现，金属光栅结构具有独特的偏振性能，引起了人们的关注。金属光栅结构具有偏振性能的原因在于垂直于光栅矢量(TE偏振)和平行于光栅矢量(TM偏振)偏振光的边界条件不同，其等效折射率也不同。附图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。其中，11为透明基底，12为金属光栅，金属光栅的周期为P，脊部宽度为W，高度为H，13为光源。由光源13产生的非偏振光（包含TM偏振光和TE偏振光）以入射角θ入射到该偏振片。TE偏振（又称s偏振）激发金属线的电子而产生电流，使得该方向的偏振光反射，而TM偏振（又称p偏振）由于该方向上有空气间隙将金属线隔离而无法引发电流，此时光波会透射过去。这样就实现了入射光中振动方向互相垂直的两个偏振态p、s的分离，表现出强烈的偏振特性。

对于周期小于入射波长的光栅（称为亚波长光栅），传统的标量衍射理论已不再适用，需要用严格的矢量衍射理论来描述。研究表明，能够用于可见光光谱范围的性能较好（高透射效率、高消光比）的金属偏振光栅的周期都很小，通常要求小于200nm。电子束曝光、反应离子刻蚀、纳米压印技术等微纳米加工技术的发展，使得加工线宽小于100nm的光栅成为可能。由于亚波长金属光栅体积小、易于集成、偏振特性好，很多科研人员对其相应的理论分析、结构设计、制作工艺等进行了深入研究。美国专利US7158302公开了一种双金属层偏振片，在500-700nm波长范围，TM光的透射效率大于70%，在整个可见光波段（400-700nm），TM光的透射效率大于63%。因此，在宽波段（400-700nm波段）TM光的透射效率有待提高。

因此，本发明主要解决的问题是：提高宽波段范围TM光的透射效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的亚波长光栅结构偏振片，使得该偏振片在宽波段、大入射角度范围，TM光的透射效率得到提高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层位于介质光栅的脊部，所述第二金属层位于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，所述第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，所述第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度。

上述技术方案中，所述介质光栅的脊部高度大于第一金属层和第二金属层的高度；所述第一金属层与所述介质光栅的脊部宽度差等于所述第二金属层与所述介质光栅的沟槽宽度差；所述介质光栅的周期小于等于200nm；脊部宽度与周期的比值小于0.5；所述第一金属层和第二金属层的厚度为30～70nm；所述基底与介质光栅为透明柔性材料或者玻璃；所述第一金属层与第二金属层的的材质相同。

上述技术方案中,由于第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度，增强了第一金属层与第二金属层之间的耦合作用，使得更多的能量集中于第一金属层与第二金属层之间，最终提高TM偏振光的透射效率。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.与现有的双层金属光栅结构（第一金属层的宽度等于介质光栅的脊部宽度，所述第二金属层的宽度等于介质光栅的沟槽宽度）相比，本发明中第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，所述第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度，使得更多的能量集中在第一金属层与第二金属层之间，最终提高TM偏振光的透射效率。

2.本发明中的偏振片在宽波段（如可见光波段、红外波段）、大入射角度范围，TM偏振光的透射效率得到提高。(需要说明具体的入射角度范围吗?)

3.通过调整介质光栅的周期、厚度、第一金属层和第二金属层的厚度、介质光栅的脊部宽度、第一金属层和第二金属层的宽度等参数可以获得高TM光透射效率和高透射消光比，设计很灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。

图2为本发明实施例中设计的亚波长光栅结构偏振片的结构示意图。

图3为本发明实施例一中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图4为本发明实施例一中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

图5为本发明实施例二中亚波长光栅结构偏振片的TM偏振光的透射效率与入射波长、入射角的关系图。

图6为本发明实施例二中亚波长光栅结构偏振片的透射消光比与入射波长、入射角的关系图。

图7为本发明实施例三中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图8为本发明实施例三中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

图9为本发明实施例四中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图10为本发明实施例四中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

图11为本发明实施例五中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图12为本发明实施例五中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

图13是本发明第六实施例的亚波长光栅结构偏振片的结构示意图。

图14为本发明实施例六中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图15为本发明实施例六中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

图16是本发明第七实施例的亚波长光栅结构偏振片的结构示意图。

图17为本发明实施例七中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图18为本发明实施例七中亚波长光栅结构偏振片的TM光的透射消光比与入射波长的关系图。

具体实施方式

参见附图2，为亚波长光栅结构偏振片的结构示意图。

由图中可见，21为基底，22为介质光栅，23为第一金属层，24为第二金属层，25为入射光。介质光栅22的高度为h1，第一金属层23和第二金属层24的高度为h2，介质光栅的周期为p，脊部宽度为w，占宽比F=w/p，金属层与介质层的高度差为h。第一金属层23的宽度大于介质光栅22的脊部宽度，第二金属层24的宽度小于介质光栅22的沟槽宽度，第一金属层23的宽度与介质光栅22的脊部宽度差为2*A，第一金属层的宽度为p*F+2*A，第二金属层24的宽度与介质光栅22的沟槽宽度差为2*d，第二金属层24的宽度为p*(1-F)-2*d。在一种实施方式中，A等于d，在其它实施方式中，A也可以大于或小于d。在本发明中，光栅周期p的优选范围为p≤200nm，占宽比F<0.5，两层金属层的厚度在30nm～70nm之间，基底21与介质光栅22为透明柔性材料或者玻璃。

通常用透射效率和透射消光比来衡量偏振片的性能的好坏。透射消光比是指TM偏振光的透射效率与TE偏振光的透射效率的比值。定义TM光的透射效率为Ttm，TE光的透射效率为Tte，透射消光比Text=10lg（Ttm/Tte）。

下面，将以具体的实施方式对本发明做详细说明。

实施例一：

入射光25为可见光，波长为400nm－700nm；基底21为聚酯薄膜（PET），折射率为1.48；介质光栅22为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），折射率为1.48；第一金属层23和第二金属层24为铝。偏振片的结构参数如下：介质光栅的高度h1=0.07um，金属层的高度h2＝0.05um，介质光栅的周期p=0.1um，脊部宽度w＝0.04um，占宽比F=w/p=0.4。A=d=0.0075um和A=d=0um时，TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图3、图4所示。

从图3可以看出，A=d=0um（即第一金属层的宽度等于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度等于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于50%，A=d=0.0075um（即第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于78%。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的结构的透射效率明显提高。

从图4可以看出，A=d=0um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比大于32dB，A=d=0.0075um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比约大于34dB。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的偏振片的消光比没有明显变化。

可以看出，本发明中的偏振片在宽波段范围，TM偏振光的透射效率得到提高。

实施例二：

本实施例研究A=d=0.0075um（即第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度）时，入射角度的变化对TM光的透射效率的影响，其他参数与实施例一中的一致。入射光的入射角度在0到60度范围变化。图5为TM偏振光的透射效率与入射波长、入射角的关系图。图6为TM偏振光的透射消光比与入射波长、入射角的关系图。

从图5可以看出，当入射光的入射角度在0到60度范围变化时，TM偏振光在整个可见光波段的透射效率大于77%。从图6可以看出，当入射光的入射角度在0到60度范围变化时，TM偏振光在整个可见光波段的透射消光比大于30dB。

可以看出，本发明中的偏振片在宽波段、宽角度范围，TM偏振光的透射效率得到提高。

实施例三：

本实施例增大介质光栅的周期，研究TM光的透射效率和透射消光比随波长的变化，其他参数与实施例一中的一致。介质光栅的周期p=0.18um。

入射光25为可见光，波长为400nm－700nm；基底21为聚酯薄膜（PET），折射率为1.48；介质光栅22为PMMA，折射率为1.48；第一金属层23和第二金属层24为铝。偏振片的结构参数如下：介质光栅的高度h1=0.07um，金属层的高度h2＝0.05um，介质光栅的脊部宽度w＝0.072um，占宽比F=w/p=0.4。A=d=0.0075um和A=d=0um时，TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图7、图8所示。

从图7可以看出，A=d=0um（即第一金属层的宽度等于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度等于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于40%，A=d=0.0075um（即第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于60%。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的结构的透射效率明显提高。

从图8可以看出，A=d=0um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比大于32dB，A=d=0.0075um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比约大于34dB。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的偏振片的消光比没有明显变化。

实施例四：

本实施例研究非垂直入射条件下（入射角度为40度），TM光的透射效率和透射消光比随波长的变化，其他参数与实施例一中的一致。介质光栅的周期p=0.15um。TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图9、图10所示。

从图9可以看出，非垂直入射条件下（入射角度为40度），A=d=0um（即第一金属层的宽度等于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度等于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于45%，A=d=0.0075um（即第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在整个可见光波段的透射效率大于70%。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的结构的透射效率明显提高。

从图10可以看出，A=d=0um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比大于30dB，A=d=0.0075um时，TM光在整个可见光波段的透射消光比约大于32dB。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的偏振片的消光比没有明显变化。

因此，非垂直入射条件下，本发明设计的偏振片结构的TM光在整个可见光波段的透射效率得到了提高。也就是说，本发明中的偏振片在宽波段、大入射角度范围，TM偏振光的透射效率得到提高。

实施例五：

本实施例研究垂直入射条件下（入射角度为0度），可见至红外波段TM光的透射效率和透射消光比随波长的变化，其他参数与实施例一中的一致。介质光栅的周期p=0.1um。TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图11、图12所示。

从图11可以看出，A=d=0um（即第一金属层的宽度等于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度等于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在可见至红外波段的透射效率大于50%，A=d=0.0075um（即第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度、第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度）时，TM光在可见至红外波段的透射效率大于75%。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的结构的透射效率明显提高。

从图12可以看出，A=d=0um时，TM光在可见至红外波段的透射消光比大于32dB，A=d=0.0075um时，TM光在可见至红外波段的透射消光比约大于34dB。可以看出在相同的结构条件下，本发明设计的偏振片的消光比没有明显变化。

实施例六：

参见图13，在本实施例中，给出了A小于d的情况。其中入射光25为可见光，波长为400nm－700nm；基底21为聚酯薄膜（PET），折射率为1.48；介质光栅22为PMMA，折射率为1.48；第一金属层23和第二金属层24为铝。偏振片的结构参数如下：介质光栅的高度h1=0.07um，金属层的高度h2＝0.05um，介质光栅的周期p=0.1um，脊部宽度w＝0.02um，占宽比F=w/p=0.2。当A=0.01um，d=0.02um时，TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图14、图15中所示。

从图14、图15可以看出，TM光在整个可见光波段的透射效率大于90%,透射消光比大于28dB。可以看出，该实施方式下结构的透射效率明显提高。

实施例7：

请参见图16，本实施例给出了A大于d的情况，其中入射光25为可见光，波长为400nm－700nm；基底21为聚酯薄膜（PET），折射率为1.48；介质光栅22为PMMA，折射率为1.48；第一金属层23和第二金属层24为铝。偏振片的结构参数如下：介质光栅的高度h1=0.07um，金属层的高度h2＝0.05um，介质光栅的周期p=0.1um，脊部宽度w＝0.02um，占宽比F=w/p=0.2。当A=0.02um，d=0.015um时，TM光的透射效率、消光比与波长的关系分别如图17、图18中所示。

从图17、图18可以看出，TM光在整个可见光波段的透射效率大于70%，透射消光比大于37dB。可以看出，本发明设计的结构的透射效率明显提高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种亚波长才光栅结构偏振片，其特征在于：包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层位于介质光栅的脊部，所述第二金属层位于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，所述第一金属层的宽度大于介质光栅的脊部宽度，所述第二金属层的宽度小于介质光栅的沟槽宽度。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述介质光栅的脊部高度大于第一金属层和第二金属层的高度。

3.根据权利要求1所述的亚波长结构偏振片，其特征在于：所述第一金属层与所述介质光栅的脊部宽度差等于所述第二金属层与所述介质光栅的沟槽宽度差。

4.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述介质光栅的周期小于等于200nm；脊部宽度与周期的比值小于0.5；所述第一金属层和第二金属层的厚度为30nm～70nm。

5.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述基底与介质光栅为透明柔性材料或者玻璃。

6.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构偏振片，其特征在于：所述第一金属层与第二金属层的的材质相同。