CN105572781B - 一种具有非均匀偏振选择性的光学元件 - Google Patents

一种具有非均匀偏振选择性的光学元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，包括一透明基板，以及形成于该透明基板上的亚波长光栅；所述亚波长光栅为三层，上、下均是厚度为0.1～0.3um的金层；中间是厚度为6～8um的硅层；选定所述透明基板的一个板面上任一点为中心，所述中心辐射出八条分界线；这八条分界线将所述透明基板的一个表面分为八个扇区，分别记为第一扇区、第二扇区……第八扇区；每个区域均为三层亚波长光栅，各区域的亚波长光栅的周期与占空比不同。通过该光学元件过滤偏振光，可以获得满意的径向偏振光束或角向偏振光束。

Description

一种具有非均匀偏振选择性的光学元件
技术领域
本发明涉及偏振光学元件，尤其是一种具有偏振转换功能的光学元件。
背景技术
矢量特性和偏振特性都是光频电磁场的基本属性，光束的矢量特性、偏振特性以及它们在光学测量、显微镜技术、光存储、光通信和激光加工等领域中的应用已经进行了广泛且深入地研究。然而这些工作大部分仅局限于空间均匀的偏振光束，例如线偏振、圆偏振和椭圆偏振。随着激光技术的不断发展，一种空间非均匀偏振分布的光束的存在通过理论模型和实验结果得到了证实。作为非均匀偏振光束的一种特殊形式，轴对称偏振光束由于具有轴对称的偏振结构和中空环状的模式分布而表现出极具潜力的研究价值，它是麦克斯韦方程组在圆柱坐标系下的特征解，其中径向偏振与角向偏振是轴对称偏振的两个典型偏振态。轴对称偏振光束独特的偏振特性使它在现代光学应用中发挥着重要的作用。近些年越来越多的研究人员开始关注并且发展这种新颖的非均匀偏振光束。
轴对称偏振光束具有轴对称的偏振结构和中空环状的强度分布，其中径向偏振光束不仅有横向的电磁场，还包括沿轴向的电场纵向分量；而角向偏振光束除包括横向的电磁场外，还产生了沿轴向的磁场纵向分量。这些特性使它在一些物理研究与工程应用中展现出独特的优势，从而引起了国内外相关研究人员的广泛关注。2003年，科学家第一次从实验方面证实了径向偏振光束经高数值孔径透镜聚焦后能够突破衍射极限，聚焦处的光斑尺寸可以达到0.16λ2，它比线偏振光的聚焦光斑尺寸0.26λ2小很多，而且在焦点处径向偏光束的电场纵向分量的强度比它的电场横向分量的强度大很多。强度更大、光斑更小的电场纵向分量使径向偏振光束在电子加速、光学捕获、光学显微镜、光学存储和激光加工等领域发挥出重要的作用。
径向偏振和角向偏振作为轴对称偏振的两种典型状态，越来越多的领域发挥着重要的作用，因此，各种产生径向偏振光束和角向偏振光束的方法已经得到了充分的发展和应用。它们可以分为两种主要方式：一种是在激光谐振腔内直接产生，另一种是在激光谐振腔外转换实现。
在材料的选择方面,本领域常用的偏振光学元件有液晶、光栅式模材、特殊晶体以及光学偏振片等等。然而液晶或特殊晶体材料的成本极高,通常又仅适用于单一波长的光线,无法提出宽频又低成本的解决方案。而目前所知的光栅式光学元件也难以提供非均匀的偏振模场的解决方案。
另外,为能达到使光线偏极化或偏振的效果,也有人提出共振腔的方式或是以干涉方式来产生非均匀分布的偏振模场。共振腔只适用于单一波长的入射光；而用干涉法则需要复杂而精确的光路设计,不利于以符合成本考量的方式实施。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术难以简单地获得轴对称偏振的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，包括一透明基板，以及形成于该透明基板上的亚波长光栅；
所述亚波长光栅为三层，上、下均是厚度为0.1～0.3um的金层；中间是厚度为6～8um的硅层；
选定所述透明基板的一个板面上任一点为中心，所述中心辐射出八条分界线；这八条分界线将所述透明基板的一个表面分为八个扇区，分别记为第一扇区、第二扇区……第八扇区；
其中：
覆盖在第一扇区的亚波长光栅参数是：周期为4um、占空比为0.35、振幅透过率为0.84、相位为-161.75°，
覆盖在第二扇区的亚波长光栅参数是：周期为4.2um、占空比为0.3、振幅透过率为0.94、相位为-114.42°，
覆盖在第三扇区的亚波长光栅参数是：周期为7.2um、占空比为0.55、振幅透过率透过率为0.84、相位为-70.18°，
覆盖在第四扇区的亚波长光栅参数是：周期为7.2～8um、占空比为0.4～0.35、振幅透过率为0.83～0.86、相位为-24.91°，
覆盖在第五扇区的亚波长光栅参数是：周期为5～6um、占空比为0.45～0.35、振幅透过率为0.95～0.95、相位为13.25°，
覆盖在第六扇区的亚波长光栅参数是：周期为5um、占空比为0.4、振幅透过率为0.95、相位为63.57°，
覆盖在第七扇区的亚波长光栅参数是：周期为4.4～3.8um、占空比为0.35～0.4、振幅透过率为0.82～0.88、相位为115.02°，
覆盖在第八扇区的亚波长光栅参数是：周期为3.2～5um、占空比为0.45～0.3、振幅透过率为0.92～0.82、相位为152.06°；
所述中心辐射出八条参照线；这八条参照线分别位于所述的八个扇区中，每一条参照线均把所在的扇区一分为二；每一条参照线均平行于或垂直于所在扇区上的亚波长光栅的方向。
进一步，所述亚波长光栅的沟槽深度为6.2～8.6um。
进一步，所述透明基板为正方形。
进一步，所述透明基板为圆形，所述中心为透明基板的圆心。
进一步，光学元件的工作波长为10.6um。
值得说明的是，本发明的光学元件制作工艺如附图6所示，包括以下步骤：
1)利用磁控溅射镀膜工艺在透光衬底上形成多层结构(下金属层、一介质层、一上金属层)
2)在多层结构上旋涂光刻胶，利用接触式曝光将设计好的光栅单元阵列转移到光刻胶掩模上，经显影后形成光刻胶光栅。
3)利用刻蚀工艺，在多层结构材料上制备光栅单元阵列，同时穿透下金属层--介质层--上金属层，形成多层材料光栅结构。
4)移除光刻胶掩模，最终得到具有非均匀偏振选择性的光学元件。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，经过实验验证，能够将透过元件的偏振光转换为径向偏振光和角向偏振光(均为轴对称偏振)。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3光栅材料示意图；
图4实施例1的仿真结果；
图5实施例2的仿真结果；
图6为本发明光栅结构制作流程图；
图7为验证本发明技术效果所设计的实验中，径向和角向偏振光检验光路示意图；
图8为径向偏振光透过线偏振片(实施例1所公开的光学元件)强度分布；
图9为角向偏振光透过线偏振片(实施例2所公开的光学元件)强度分布。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，参见图1，包括一透明基板，以及形成于该透明基板上的亚波长光栅；
参见图3，所述亚波长光栅为三层，上、下均是厚度为0.1um的金层；中间是厚度为6.9um的硅层；即亚波长光栅的沟槽深度为7.1um。
参见图1，所述透明基板为一正方形平板。其中心辐射出八条分界线；这八条分界线将所述透明基板的一个表面分为八个扇区，分别记为第一扇区、第二扇区……第八扇区(图中用阿拉伯数字1～8标注各个区域)；实施例中，这八条分界线是均匀分布的，即相邻的两条分界线之间的夹角为45°，即每个扇区的角度也为45°。
值得说明的是，所述的分界线并不是真实存在的，而是为了便于描述光学元件的结构假想存在的。分界线两侧的亚波长光栅的沟槽深度相同，但其余参数有所不同，具体地：
本实施例需要获得一种将偏振光束转为径向偏振光束的光学元件。假想地，所述中心辐射出八条参照线；每一条参照线均位于两条分界线之间，这八条参照线分别位于所述的八个扇区中，每一条参照线均把所在的扇区一分为二(分为22.5°)；
参见图1，每一条参照线均平行于所在扇区上的亚波长光栅的方向。即任意一个扇区上的亚波长光栅的沟槽的长度方向均平行于该扇区内的参照线方向。
采用CST微波工作室仿真软件，对上述光学元件进行仿真。其结果如图4所示。
参见图7，图中为径向和角向偏振光检验光路示意图。按照上述参数制作一个1cm×1cm的光学元件(即图7中的样品)，并对其技术效果进行检验：
1)将制作的光学元件置于上图的光路中，对其效果进行检验。
2)激光器产生10.6um的红外光，经由线偏振片和1/4波片转换为圆偏振光，透光样品和线偏振片，由CCD检测得到图像。
3)旋转线偏振片2与x方向夹角分别为0°，90°,45°,135°,经由CCD检测可以得到透过偏振片的径向偏振光的光强示意图，如图8所示。
实施例2：
本实施例公开一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，参见图2，包括一透明基板，以及形成于该透明基板上的亚波长光栅；
参见图3，所述亚波长光栅为三层，上、下均是厚度为0.1um的金层；中间是厚度为6.9um的硅层；即亚波长光栅的沟槽深度为7.1um。
参见图2，所述透明基板为一正方形平板。其中心辐射出八条分界线；这八条分界线将所述透明基板的一个表面分为八个扇区，分别记为第一扇区、第二扇区……第八扇区(图中用阿拉伯数字1～8标注各个区域)；实施例中，这八条分界线是均匀分布的，即相邻的两条分界线之间的夹角为45°，即每个扇区的角度也为45°。
值得说明的是，所述的分界线并不是真实存在的，而是为了便于描述光学元件的结构假想存在的。分界线两侧的亚波长光栅的沟槽深度相同，但其余参数有所不同，具体地：
本实施例需要获得一种将偏振光束转为径向偏振光束的光学元件。假想地，所述中心辐射出八条参照线；每一条参照线均位于两条分界线之间，这八条参照线分别位于所述的八个扇区中，每一条参照线均把所在的扇区一分为二(分为22.5°)；
参见图2，每一条参照线均垂直于所在扇区上的亚波长光栅的方向。即任意一个扇区上的亚波长光栅的沟槽的长度方向均垂直于该扇区内的参照线方向。
采用CST微波工作室仿真软件，对上述光学元件进行仿真。其结果如图5所示。
参见图7，图中为径向和角向偏振光检验光路示意图。按照上述参数制作一个1cm×1cm的光学元件(即图7中的样品)，并对其技术效果进行检验：
1)将制作的光学元件置于上图的光路中，对其效果进行检验。
2)激光器产生10.6um的红外光，经由线偏振片和1/4波片转换为圆偏振光，透光样品和线偏振片，由CCD检测得到图像。
3)旋转线偏振片2与x方向夹角分别为0°，90°,45°,135°,经由CCD检测可以得到透过偏振片的角向偏振光的光强示意图，如图9所示。

Claims (5)

1.一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其特征在于:包括一透明基板，以及形成于该透明基板上的亚波长光栅；
所述亚波长光栅为三层，上、下均是厚度为0.1～0.3um的金层；中间是厚度为6～8um的硅层；
选定所述透明基板的一个板面上任一点为中心，所述中心辐射出八条分界线；这八条分界线将所述透明基板的一个表面分为八个扇区，分别记为第一扇区、第二扇区……第八扇区；
所述中心辐射出八条参照线；这八条参照线分别位于所述的八个扇区中，每一条参照线均把所在的扇区一分为二；每一条参照线均平行于或垂直于所在扇区上的亚波长光栅的方向；
覆盖在第一扇区的亚波长光栅参数是：周期为4um、占空比为0.35、振幅透过率为0.84、相位为-161.75°，
覆盖在第二扇区的亚波长光栅参数是：周期为4.2um、占空比为0.3、振幅透过率为0.94、相位为-114.42°，
覆盖在第三扇区的亚波长光栅参数是：周期为7.2um、占空比为0.55、振幅透过率为0.84、相位为-70.18°，
覆盖在第四扇区的亚波长光栅参数是：周期为7.2～8um、占空比为0.4～0.35、振幅透过率为0.83～0.86、相位为-24.91°，
覆盖在第五扇区的亚波长光栅参数是：周期为5～6um、占空比为0.45～0.35、振幅透过率为0.95～0.95、相位为13.25°，
覆盖在第六扇区的亚波长光栅参数是：周期为5um、占空比为0.4、振幅透过率为0.95、相位为63.57°，
覆盖在第七扇区的亚波长光栅参数是：周期为4.4～3.8um、占空比为0.35～0.4、振幅透过率为0.82～0.88、相位为115.02°，
覆盖在第八扇区的亚波长光栅参数是：周期为3.2～5um、占空比为0.45～0.3、振幅透过率为0.92～0.82、相位为152.06°。
2.根据权利要求1所述的一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其特征在于：所述亚波长光栅的沟槽深度为6.2～8.6um。
3.根据权利要求1所述的一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其特征在于：所述透明基板为正方形。
4.根据权利要求3所述的一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其特征在于：所述透明基板为圆形，所述中心为透明基板的圆心。
5.根据权利要求1所述的一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其特征在于：光学元件的工作波长为10.6um。
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