CN103777274A - 金属光栅偏振分束器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属光栅偏振分束器，由多个重复的光栅单元组成，所述的光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质和第二介质、位于第一介质顶部的上层金属、位于第二介质底部的下层金属以及位于下层金属与第一介质底部的衬底。本发明通过控制介质狭缝宽度小于工作波长TE偏振光的模式截止宽度，使TE偏振光无法在狭缝内传播从而导致只有反射光，而通过控制光栅周期使得该偏振分束光栅只存在0级和±1级衍射，但是只有TM偏振光有衍射，因此形成TE偏振光被反射，TM偏振光被衍射和透射的偏振分束器。本发明实现宽波段、大角度范围、反射/衍射偏振分束。

Description

金属光栅偏振分束器及其制备方法

技术领域:

本专利涉及偏振光分束器件技术领域，特别是一种基于金属光栅、利用表面等离子体波导截止效应产生的角度可调、横电场反射、横磁场衍射的宽光谱偏振光分束光栅。属于光学领域中的偏振分束器件。

背景技术:

偏振光被广泛的应用于现代光学技术和应用中，比如光通讯、光存储、和光传感等。偏振光分束器可以将入射的非偏振光分成偏振方向相互垂直的两束光。进一步的，具有宽的入射角度范围和宽工作光谱的大角度、宽带偏振光分束器更有实际应用价值。

传统偏振光分束器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成，它们都对光的入射角度敏感，而且受到实际晶体和介质的折射率的限制。另外，晶体偏振分光器件体积大、价格贵；多层介质膜偏振分光器件加工复杂，工作带宽小，这些都不能满足当前光学器件高效化、小型化、集成化的要求。随着微纳加工技术的发展，具有优良偏振特性的亚波长光栅受到人们广泛关注和研究，它具有体积小、易集成、和设计灵活的特点。

由于介质折射率的限制，介质光栅通常工作在红外和中红外光波领域。它的偏振效应是由光栅对TM（电场垂直于光栅方向）和TE（电场平行于光栅方向）偏振光的等效折射率不同而引起的。在干涉效应的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波长有关的特定的方向上。所以，介质光栅只能做成窄带和特定入射角度的偏振分束器件。

而且不论介质光栅还是金属光栅，人们研究的大多数是其透射性质，从而应用到透射式偏振片。中国专利CN1804667“1550纳米波长的石英透射偏振分束光栅”给出了一个用于1550纳米波长的石英透射偏振分束光栅的具体结构参数。Y.Ekinci等人（“Bilayer Al wire-grids as broadband andhigh-performance polarizers双层铝线栅实现宽谱高性能偏振器”,Y.Ekinci,H.Solak,C.David,andH.Sigg,Optics Express14,2323(2006)）增研究过100nm周期的双层金属线栅对可见光的透射性质，TM光的透射率大约50%，TE几乎不能被透射。由于周期只有100nm，此时的衍射效应已经消失。也有少数关于反射式光栅偏振片的研究，但都是工作于某个波长或很窄的波段，以及某特殊入射角，更没有考虑到宽光谱衍射和反射偏振分束。C.Lima等人（“Reflecting polarizing beam splitter反射式偏振光分束器”,C.Lima,L.Soares,L.Cescato,and A.Gobbi,Optics Letters203,203(1997)）研究了单一波长633nm的光，以特定角度Littrow角入射到金属基底的单层金属光栅的偏振分光情况，同样是在干涉效应的作用下，TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。中国专利CN102289014B“1053纳米波段的金属介质膜反射式偏振分束光栅”也提出一种反射式偏振分束器件，它要在石英基片上依次镀制银层、三层膜组成的高反射膜层、和介质光栅，由介质光栅对近红外波段中的1053纳米波长的入射光进行和偏振有关的相位干涉调制，最后光被反射，得以实现反射式偏振分光，其TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。

总之，之前对光栅偏振特性的研究都是利用光波的干涉效应，这就不可避免窄工作带宽和特定入射角度。同时，从分光效果上看，都是TE被衍射，TM被反射。而没有报道TM被衍射的同时TE被反射。要得到宽带和大角度入射范围的偏振分束器，需要利用金属光栅。金属光栅能够激发和支持表面等离子体波，并且只有TM偏振光才能激发表面等离子体波。因此，任意波长的TM偏振光都可以以表面等离子体导波模式进入到金属光栅中的狭缝；小于某个截止波长的TE偏振光可以以正常的导波模式进入金属光栅，大于截止波长的TE光无法进入光栅。所以TM偏振光可以感受到光栅结构，从而在合适的光栅周期下被衍射。大于截止波长的TE偏振光感受不到光栅结构，相当于入射到一块金属平面上，从而几乎被完全反射。具体原理见已经发表的文章：J.Opt.Soc.Am.B,Vol.28,No.3,2011,502-506。它完全区别于传统的晶体、多层膜、或者介质光栅。以此为基础可以制备成的表面等离子体偏振分束器，不仅在性能上有宽谱、广角的特点，而且制备工艺简单，适于大规模生产，易于集成化。

发明内容:

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种金属光栅偏振分束器及其制备方法，具有大角度入射范围和宽工作波段。

本发明通过以下技术方案实现：

一种金属光栅偏振分束器，其特点在于，由多个重复的光栅单元组成，所述的光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质和第二介质、位于第一介质顶部的上层金属、位于第二介质底部的下层金属以及位于下层金属与第一介质底部的衬底；

所述的上层金属与下层金属上下交错排布；

所述的等高度的上层金属、第二介质和上层金属构成金属-第二介质狭缝-金属波导，所述的等高度下层金属、第一介质光栅和下层金属构成金属-第一介质狭缝-金属波导，第一介质狭缝与第二介质狭缝中至少有一种介质狭缝的宽度小于工作波长的横电场偏振光对应的最低阶模式截止宽度，以使得工作波长的TE偏振光（电场平行于光栅线条）不被衍射和透射，所述的上层金属与下层金属中至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度。

所述的第二介质的宽度不大于金属光栅周期减去第一介质光栅的宽度,所述的第一介质光栅的侧面可以具有上层金属。

所述的第一介质、第二介质的高度满足法布里珀罗共振腔的干涉相消条件，使得工作波长TM反射光最小。

所述的上层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜，所述的下层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜。

所述的第一介质为对工作波长透明的材料，所述的第二介质对工作波长透明的材料，这两种介质可以是单层均匀材料也可以是多层结构不同材料构成。

所述的第二介质的高度从下层金属的顶部到上层金属的顶部。

一种制备所述的金属光栅偏振分束器的方法，其特点在于，包括如下步骤：

①利用光刻或纳米压印在衬底上制作第一介质光栅；

②采用蒸发或者溅射方式在第一介质光栅上蒸镀一层金属或者多层不同金属，形成在横向上

有位移的分别位于第一介质光栅顶部和间隙的双层金属光栅或复合金属光栅，即上层金属

和下层金属；

③在第一介质光栅间隙的下层金属之上填入第二介质光栅。

本发明通过控制光栅的周期使得工作波长可以满足光栅方程被衍射，通过控制金属之间的介质狭缝宽度，使得工作波长的TE偏振光不能进入狭缝从而不具备衍射效应。

所述的上下两层金属光栅的厚度和金属种类可以相同也可以不同。另外金属光栅也可以包括单层或多层，每层的结构也可以不一样；每层中，也可以是混合多层金属光栅，或者混合金属介质光栅。一种反射式偏振光分束器，其包括位于共同衬底之上的金属和介质交替单层光栅。就制作工艺来讲，双层相同材料的金属光栅最容易制备。

当采用透明衬底时，可以产生反射和透射混合型偏振分束器，其中衍射光和透射光的偏振态相同，都是电场垂直于光栅方向，即TM光，透射和衍射的波长不同，透射光对应波长长的部分，衍射光对应波长短的部分，其分界线为表面等离子体共振波长；反射光为电场平行于光栅方向的TE偏振光。当采用不透明衬底时，透射光被基底吸收，只形成反射式偏振分束器。

本发明工作原理如下：

在所需要的入射角度下，工作波长的至少-1级衍射光沿着平行于光栅面的波数小于光在空气中或者和光栅直接接触的介质中的波数，也就是衍射光能存在于空气或者和光栅接触的衬底介质中。但是只有TM偏振光可以被衍射，而TE偏振光由于不能进入狭缝只能被反射。从而形成了TM衍射而TE反射的偏振分束器。其中衍射在空气中存在由公式1描述，而衍射在衬底中存在由公式2描述。其中n0为空气的折射率、n_s为衬底折射率、θ为入射光在空气面的入射角、T为光栅的周期、k₀为光在真空中的波数。

$k_0{n}_0+k_0{n}_0\sin \mathrm{\θ}>\frac{2\mathrm{\π}}{T},1$ $k_0{n}_s+k_0{n}_0\sin \mathrm{\θ}>\frac{2\mathrm{\π}}{T},2$

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）金属光栅周期较大，保证了TM光可以被衍射，也就是以一定角度入射的工作波长能够使得光栅的衍射方程有实数解。

（2）采用了双层金属光栅结构，使得入射的TM光在第二层金属层被高效率反射回来，再经过第一层衍射回空气。该偏振分束光栅只存在反射中的0级和1级衍射，可以将TM偏振和TE偏振的入射光分别衍射到1级和0级反射光束中。而当采用单层金属光栅的时候，可以获得TM的反射和透射式的1级衍射，而TE光被反射回来。

（3）工艺简单，成本低、适合大批量生产；

（4）偏振光分束特性好、性能稳定可靠。通过简单的参数设计可以实现多波段的、广角宽谱反射式偏振分束性能。

附图说明:

图1为本发明金属光栅偏振分束器的几何结构示意图。

图2为本发明金属光栅偏振分束器的第一种实施例图。

图3为实施示例1的利用模式展开软件模拟设计得到的光栅周期为280纳米的双层金属铝光栅的反射、衍射和透射光谱图。

图4为实施示例2的利用模式展开软件模拟设计得到的光栅周期为280纳米的双层金属铝光栅的反射、衍射和透射光谱图。

图5为实施示例3的商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期为8微米的双层复合金属光栅的反射、衍射和透射光谱图。

图6为实施例4的商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期330纳米的单层金属银光栅的反射、衍射和透射光谱图。

图7为要得到15-30微米波段的TM衍射分光效。

图8为实施例6的商业软件RSOFT模拟得到的，当入射光波长为600纳米，入射角度为60度，从光栅空气面入射情况下，在不同光栅周期和空气狭缝宽度的情况下，不同偏振光的反射和衍射强度图。

图9为实施例7模拟的不同TM偏振光的反射谱线。

图中：1-上层金属，2.a-第一层介质光栅，2.b-第二层介质光栅，3-下层金属，4-衬底，5-入射TM光，6-强烈的TM衍射光，7-微弱的TM反射光，8-入射TE光，9-微弱的TE衍射光，10-强烈的TE反射光。

具体实施方式:

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。但不应以此限制本发明的保护范围。

制备方式：工作波段覆盖整个可见光范围的、反射式、双层金属光栅表面等离子体偏振光分束器的制备过程。

（1）在硅片或BK7玻璃衬底上采用纳米压抑或光刻技术制备出周期420纳米、第一介质光栅2.a的宽度为周期的50%、厚度为110纳米的PMMA介质光栅。此时空气狭缝的宽度为210纳米，450纳米以上的TE偏振光被介质无法进入狭缝内。

（2）用蒸发或者溅射技术在制备好的介质光栅上覆盖厚度为30nm的金属铝。即制备出双层金属光栅偏振器，其结构如图1所示。如果利用蒸发方式，侧壁会有金属，降低介质狭缝的实际厚度，提高TE的反射效率，如图2所示，上层金属光栅会出现小的“帽沿”。

入射到金属光栅的TM光被反射到-1级衍射方向，TE光被反射到0级衍射方向。入射角度越大，工作波段越宽；当入射角度大于50度后，工作波段可覆盖整个可见光波段。当衬底采用对可见光吸收的硅材料时，不存在透射光。当衬底采用透明的BK7玻璃时，不能被衍射的可见TM光被透射，而可见TE光始终主要被反射。

实施例1：一种双层金属光栅的TM衍射/TE反射/TM透射的三通道可见光波段等离子体偏振分束器件。

结合商业软件RSOFT的模拟结果图3，光栅周期为280纳米的双层金属铝光栅的反射、衍射和透射光谱图。第一介质光栅2.a和第二介质光栅2.b的宽度都为周期的一半，第一介质光栅2.a为PMMA，折射率1.5，第一介质光栅2.b为空气，厚度为100纳米，上层金属光栅1和下层金属光栅3都为铝，其厚度都为60纳米。模拟结果显示TE光几乎都被反射，波长短于410纳米的TE光会被衍射一部分，衍射效率低于20%。波长短于560nm的TM光主要被衍射，衍射效率可以达到85%；入射角度越大，衍射波段越宽，入射角大于70度时，衍射波段覆盖波长小于560纳米的可见光；其余长波长TM光主要被透射，透射效率达到50%，入射角度越小，透射波段越宽；入射角大约为0度时，透射波段覆盖波长大于560纳米的可见光。

实施例2：一种采用双层金属介质复合光栅的可见光波段等离子体偏振分束器件，在图1器件结构的基础上，分别在上层金属光栅1和下层金属光栅3上再覆盖一层厚度都是10纳米的减反射氟化镁介质层其折射率都为1.2。由RSOFT模拟得到反射、衍射和透射光谱图，见图4，图的横坐标为入射角度，单位是度。纵坐标为入射光波长，单位是微米。由图可知，TM的反射被降低，尤其是长波长波段反射由10%最多降到了1%；同时透射增强到60%，某些波长提高了五六倍；衍射也有所增强。TE光的光谱变化不大。可见双层金属光栅上合理覆盖抗反射介质层可以提高等离子体偏振分束器件性能。

实施例3：一种采用双层复合金属光栅的THz波段等离子体偏振分束器件，第一介质光栅2.a和第二介质光栅2.b的宽度都为周期的一半，第一介质光栅2.a为PMMA（折射率1.5），厚度为2.5微米，结合附图5，光栅周期为8微米的双层复合金属光栅的反射、衍射和透射光谱图。介质光栅占空比为0.5，介质厚度为25微米，每层复合金属光栅1、3由铬-铝-铬组成，铝的厚度为1.2微米，铬的厚度都为10纳米。上下两层复合金属光栅的结构相同。铬的作用是增加金属和介质的粘连性。模拟结果表明，此复合金属光栅可以用于THz波段的偏振分束。TE反射/TM衍射/TM透射都可以达到80%以上的效率，TE反射几乎达到100%，而且偏振抑制比很高。

实施例4：一种单层金属光栅的可见光波段等离子体偏振分束器件。

结合附图6，光栅周期为330纳米的单层金属银光栅的反射、衍射和透射光谱图。金属银厚度为100纳米，光栅占空比为0.5。模拟结果表明此单层金属光栅可以得倒TM衍射/TE反射/TM透射的三通道偏振分束特性。

实施例5：要获得某THz波段的TM光衍射分光需要的金属光栅最短周期。

结合附图7，要得到15-30微米波段的TM衍射分光效果，所需的金属铝光栅最短周期。由光栅方程计算得到。结果表明光栅周期范围大概在所需工作波长的一半到一倍波长范围。

实施例6：要得到入射光波长为600纳米，入射角度为60度情况下的高抑制比偏振分光所需的光栅空气狭缝宽度范围。

结合附图8，RSOFT模拟得到的双层铝光栅，在不同周期和空气狭缝宽度的情况下的，不同偏振光的反射和衍射光谱图。模拟结果表明，要得到入射光波长为600纳米，入射角度为60度情况下的高抑制比偏振分光，需要光栅周期范围为330纳米-600纳米，空气狭缝宽度范围为100纳米-250纳米，此时TM衍射效率在80%以上，TE反射效率在95%以上，TM反射和TE衍射效率都低于10%。

实施例7：TM偏振光的反射谱线。入射光角度50度，上层金属光栅1的顶面入射。光栅为双层铝光栅，金属层厚度都为30nm。第一介质光栅2.a和第二介质光栅2.b分别为PMMA和空气，宽度为210纳米。光栅周期为420nm。可以看到不同的高度对应不同的反射效率。例如为了使600纳米的TM偏振光反射最低，第一介质光栅2.a和第二介质光栅2.b的高度为110纳米-130纳米，这时候因为满足干涉相消。

Claims (7)

1.一种金属光栅偏振分束器，其特征在于，由多个重复的光栅单元组成，所述的光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质(2.a)和第二介质(2.b)、位于第一介质(2.a)顶部的上层金属(1)、位于第二介质(2.b)底部的下层金属(3)以及位于下层金属(3)与第一介质(2.a)底部的衬底(4)；

所述的上层金属(1)与下层金属(3)上下交错排布；

所述的等高度的上层金属(1)、第二介质(2.b)和上层金属(1)构成金属-第二介质狭缝-金属波导，所述的等高度下层金属(3)、第一介质光栅(2.a)和下层金属(3)构成金属-第一介质狭缝-金属波导，第一介质狭缝与第二介质狭缝中至少有一种介质狭缝的宽度小于工作波长的横电场偏振光对应的最低阶模式截止宽度，以使得工作波长的TE偏振光（电场平行于光栅线条）不被衍射和透射，所述的上层金属(1)与下层金属(3)中至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度。

2.根据权利要求1所述的金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的第二介质(2.b)的宽度不大于金属光栅周期减去第一介质光栅(2.a)的宽度,所述的第一介质光栅(2.a)的侧面具有上层金属(1)。

3.根据权利要求1所述的金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的第一介质(2.a)、第二介质(2.b)的高度满足法布里珀罗共振腔的干涉相消条件，使得工作波长TM反射光最小。

4.根据权利要求1所述的金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的上层金属（1）是单层金属或混合多层含有金属的薄膜，所述的下层金属（3）是单层金属或混合多层含有金属的薄膜。

5.根据权利要求1所述的金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的第一介质(2.a)为对工作波长透明的材料，所述的第二介质(2.b)对工作波长透明的材料，这两种介质是单层均匀材料或是多层结构不同材料构成。

6.根据权利要求1和5所述的金属光栅偏振分束器，其特征在于所述的第二介质(2.b)的高度从下层金属（3）的顶部到上层金属（1）的顶部。

7.一种制备权利要求1所述的金属光栅偏振分束器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

①利用光刻或纳米压印在衬底(4)上制作第一介质光栅(2.a)；

②采用蒸发或者溅射方式在第一介质光栅(2.a)上蒸镀一层金属或者多层不同金属，形成在横向上有位移的分别位于第一介质光栅(2.a)顶部和间隙的双层金属光栅或复合金属光栅，即上层金属(1)和下层金属(3)；

③在第一介质光栅(2.a)间隙的下层金属（3）之上填入第二介质光栅(2.b)。

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