CN102929000B - 一种可调谐高消光比金属光栅偏振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调谐高消光比金属光栅偏振器，包括具有相同结构参数的上下两层独立正对的金属光栅偏振器，可伸缩材料固定在上下两层金属光栅偏振器之间，并上下两光栅面保持平行，不同驱动电压驱动可伸缩材料，对应不同可伸缩材料长度，两金属光栅偏振器之间的距离为中间可伸缩材料的长度。此结构的金属光栅偏振器能够同时获得很高的消光比Ex和透过率TTM，并且偏振器的中心波长可调，能够在整个可见光波段内调谐。本结构只是将参数相同的两块线栅偏振器进行叠加，制作简单，容易实现，有很强的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属光栅偏振器，特别涉及一种可调谐高消光比金属光栅偏振器。
背景技术
偏振器件是光学器件中使用最早、应用最广的器件之一。通常产生偏振光的器件有偏振棱镜、介质膜层结构、二向色性偏振片等。金属光栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的偏振器件，较传统的偏振器件具有体积小、片子薄、易集成、性能高等优点，因此已广泛应用于光纤通信、液晶显示、光学投影、光电检测等领域。其通常的制作方法是在基底表面镀金属薄膜，再镀一层光刻胶作为掩膜版，使用电子束直写的方式在光刻胶表面形成光栅结构，然后采用离子束蚀刻工艺，将光刻胶上的槽形转移到金属薄膜上，形成金属光栅，即完成了金属光栅偏振器模板的制作。采用纳米压印技术，可将模版复制出更多的结构相同、参数相同的金属光栅偏振器。
入射光到达金属光栅表面时，电场方向平行于光栅刻槽的TE分量（横电波）能够激发金属光栅的电子而产生电流，使该分量的偏振光发生反射；电场方向垂直于光栅刻槽方向的TM分量（横磁波）无法激发金属中的电子，因此不会被反射，除少量吸收外，大部分能够通过光栅层，形成透射光，因此金属光栅的透射光中，TM分量远多于TE分量，具有很强的偏振分光特性。
衡量偏振分束器的主要指标有消光比Ex和透过率TTM。其中消光比定义为TM分量透射率与TE分量透过率的比值，因此数值越大越好；TTM是指TM分量的透过率，反映了偏振器件的能量利用率，越接近1越好；TTE是指TE分量的透过率。然而就单层金属光栅结构来说，消光比Ex和透过率TTM是一对矛盾的量，提高占空比、金属光栅深度等方法可以提高偏振器的消光比，却要牺牲TM分量的透过率。因此单层结构很难同时实现高消光比和高透过率。
发明内容
本发明是针对单层金属光栅很难同时实现高消光比和高透过率的问题，提出了一种可调谐高消光比金属光栅偏振器，采用双层金属光栅结构，同时提高消光比Ex和透过率TTM，再使用长度可调的伸缩机制，有效调谐偏振分束器的中心波长，从而满足不同波段的应用需求。
本发明的技术方案为：一种可调谐高消光比金属光栅偏振器，包括具有相同结构参数的上下两层独立正对的金属光栅偏振器，可伸缩材料固定在上下两层金属光栅偏振器之间，并上下两金属光栅面保持平行，不同驱动电压驱动可伸缩材料，对应不同可伸缩材料长度，两金属光栅偏振器之间的距离为中间可伸缩材料的长度。
所述金属光栅偏振器由基底和金属光栅组成，在玻璃或石英基底上刻蚀制作金属光栅，金属光栅具有槽形、槽宽、槽深、槽间距离，上下两层金属光栅偏振器的槽形参数、光栅槽形方向一致。
所述可伸缩材料为压电陶瓷，分辨率可达到纳米精度。
本发明的有益效果在于：本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器，能够同时获得很高的消光比Ex和透过率TTM，并且偏振器的中心波长可调，能够在整个可见光波段内调谐。本结构只是将参数相同的两块线栅偏振器进行叠加，制作简单，容易实现，有很强的可行性。
附图说明
图1为单层金属光栅偏振器结构示意图；
图2为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器结构示意图；
图3为单层金属光栅结构的透过率TTM和TTE特性曲线图；
图4为单层金属光栅结构的消光比Ex特性曲线图；
图5为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器透过率TTM和TTE特性曲线图；
图6为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器消光比Ex特性曲线图；
图7为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器压电陶瓷伸缩时透过率TTM特性曲线图；
图8为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器压电陶瓷伸缩时透过率TTE特性曲线图；
图9为本发明可调谐高消光比金属光栅偏振器压电陶瓷伸缩时消光比Ex特性曲线图。
具体实施方式
图1为单层金属光栅偏振器结构，其结构参数有金属光栅周期Λ、金属线宽d和光栅槽深h。假设金属材料为铝，光栅槽形为矩形槽形，基底为K9玻璃，其厚度为5mm，光栅周期为100nm，金属线宽为50nm，光栅槽深为50nm。根据以上参数，可计算出该结构的偏振特性，如图3所示为360nm到780nm波段内偏振器的透过率TTM和透过率TTE的变化曲线，图4为消光比Ex的变化曲线。从图中可以看出，随着波长的增加，TTM和Ex都有增大的趋势，但中间起伏也很明显，其中740nm是有最高的消光比（约为150）和较大的TM分量透过率（约为90%）。
如图2所示可调谐高消光比金属光栅偏振器结构示意图，上下两块基底1，基底1上有金属光栅2，上下金属光栅正对，中间为伸缩材料3如压电陶瓷。
上金属光栅层：即在玻璃或石英基底上制作金属光栅；表征它的参数有周期、占空比、槽深和槽形。另外，不同金属材料也有着不同的偏振效果。通常可见波段金属铝具有较好的偏振性能，因此本发明中以金属铝为例来表述双层金属光栅偏振器的偏振特性。下金属光栅层：与上光栅层一样，是一个独立的金属光栅偏振器，其槽形参数、光栅槽形方向与上光栅层一致。可伸缩机制—压电陶瓷：压电陶瓷在不同的驱动电压下对应不同的长度。将三片压电陶瓷固定在上下两层金属光栅之间，并确保上下两光栅面保持平行。因此两光栅层之间的距离就是压电陶瓷的长度。用同一个驱动电压来驱动三片同样规格的压电陶瓷，确保不同的驱动电压下两光栅层任然平行。因此不同的驱动电压将对应不同两个金属光栅层的间距，一般压电陶瓷的分辨率可以达到纳米，伸缩范围在几十微米。
假设其上下两层的光栅结构参数与图1中的光栅参数相同，并且两层的间距为5mm，压电陶瓷长度调谐范围为15μm。若固定间距为5mm，此时可调谐高消光比金属光栅偏振器的透过率TTM和TTE特性曲线如图5所示。较单层线栅偏振器结构，双层结构的TM偏振透过率没有明显改善，且抖动随波长变化更为明显，但TE偏振透过率大幅下降，使得消光比大为提高。缺点是双层结构构成了类似的F-P腔，因此对波长具有很大的选择性，如图6所示可调谐高消光比金属光栅偏振器消光比Ex特性曲线图，微弱的波长差距会导致消光比的极大差距。为此，需要使用压电陶瓷来调谐两层金属光栅之间的距离以满足特定的波长。假设压电陶瓷的伸缩范围为500nm，分辨率为5nm，入射光中心波长550nm，则该可调谐高消光比金属光栅偏振器的透过率TTM、TTE和消光比Ex特性曲线图如图7～9所示。随着距离的增大，500nm运动范围内出现了3个TM透射峰值，TE透射也出现了3个峰值，但位置正好错开，同时消光比Ex也出现3个峰值，峰值消光比可达到16000。由此可见，对于550的入射波长，压电陶瓷伸缩长度为50nm，240nm和430nm时，双层结构具有最佳的TTM和Ex。
Claims (3)
1.一种可调谐高消光比金属光栅偏振器，其特征在于，包括具有相同结构参数的上下两层独立正对的金属光栅偏振器，可伸缩材料固定在上下两层金属光栅偏振器之间，并上下两金属光栅面保持平行，不同驱动电压驱动可伸缩材料，对应不同可伸缩材料长度，两金属光栅偏振器之间的距离为中间可伸缩材料的长度。
2.根据权利要求1所述可调谐高消光比金属光栅偏振器，其特征在于，所述金属光栅偏振器由基底和金属光栅组成，在石英基底上刻蚀制作金属线光栅，金属线光栅具有槽形、槽宽、槽深、槽间距离，上下两层金属光栅偏振器的槽形参数、光栅槽形方向一致。
3.根据权利要求1所述可调谐高消光比金属光栅偏振器，其特征在于，所述可伸缩材料为压电陶瓷，分辨率可达到纳米精度。
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