CN105629493B - 复合结构双层金属光栅偏振分束器 - Google Patents

复合结构双层金属光栅偏振分束器 Download PDF

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Abstract

一种复合结构金属光栅偏振分束器，每个光栅周期内具有两个及以上被金属材料隔开的介质狭缝，多个介质狭缝组成的波导结构满足入射电场平行于光栅线条的电磁波在狭缝波导内的波导模式截止，光栅的周期满足在一定入射角度下入射横磁场电磁波的衍射存在。本发明通过使用适当数量的介质狭缝，并且使多个狭缝组成的波导宽度小于工作波长TE偏振波的模式截止宽度，使TE偏振波无法在狭缝内传播，从而导致TE偏振的入射波只存在反射波，而没有其它衍射波；同时，通过控制光栅周期使得所述偏振分束光栅对TM偏振光存在0级和±1级及以上反射衍射或透射衍射；实现较大金属光栅周期下的宽波段、大角度范围、反射/衍射/透射偏振分束。

Description

复合结构双层金属光栅偏振分束器
技术领域:
本专利涉及偏振光分束器件技术领域，特别是一种基于复合结构金属光栅、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、横磁场衍射或透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及其应用中，比如平板显示和三维立体显示、光通讯、光存储、和光传感等。偏振光分束器是将入射光分成偏振方向相互垂直的两束光的光学器件,是现代光学系统中的重要元器件。进一步的，具有宽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具有实际的应用价值。
传统的偏振光分束器通常是基于双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质，它们的缺点在于：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，工作波段窄。另外，体积大、成本高、加工工艺复杂等缺点也使传统偏振光分束器件不能满足当前光学器件的小型化、集成化和高效化等要求。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。
受到实际介质折射率的限制，介质光栅通常工作在红外光波段。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。受此工作原理的限制，介质光栅只能做成窄带和特定入射角度的偏振分束器件。
十九世纪末H.R.Hertz(H.Hertz,Ann.Phys.Chem.36,769(1889))就发现只有偏振方向和线栅方向垂直的微波才能通过线栅结构，之后人们开始研究线栅对偏振电磁波的透射的影响。受当时工艺条件、计算方法和条件的限制，在光波领域中的研究进展缓慢。直到二十世纪末，人们才制备出周期小于可见光波长的单层金属光栅，研究发现金属光栅有更高的光学效率和更高的出射光偏振比。之后研究发现制作工艺更加简单的双层金属光栅虽然对TM光的透射效率有所降低，但是偏振抑制比有了明显提高。
但是，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。1988年，T.W.Ebbesen("Extraordinary optical transmission throughsub-wavelength hole arrays利用亚波长孔阵列增强光透射",T.W.Ebbesen,H.J.Lezec,H.F.Ghaemi,T.Thio,and P.A.Wolff,Nature 391,667(1998))利用金属板中的二维空气孔阵列，突破衍射极限，增强了光的透射效率。2002年H.J.Lezec等人("Beaming Light froma subwavelength Aperture亚波长狭缝分光"，H.J.Lezec,A.Degiron,E.Devaux,R.A.Linke,L.Martin-Moreno,F.J.Garcia-Vidal,and T.W.Ebbesen,Science 297,820(2002))利用金属狭缝实现了垂直入射的特定波长的光的有角度透射。2005年LG的S.W.Ahn等人("Fabrication of a 50nm half-pitch wire grid polarizer using nanoimprintlithography半周期50nm的线栅偏振片的纳米压印制备",Nanotechnoloty 16,1874(2005))用纳米压印的方法制备出100nm周期的金属光栅，获得波长450nm的TM偏振光的透射效率85％，消光比达到2000。2012年L.Wang等人(“High performance Al bi-layerwire-grid polarizer for deep-ultraviolet to infrared:modeling and design从紫外到红外光的双层线栅高性能偏振器:模型和设计”,Li Wang,Harun H.Solak,and YasinEkinci,Proc.of SPIE,8424,842429(2012))模拟研究了双层光栅的TM和TE偏振光的透射效率，并由对比证明双层金属TM透射率虽然小于单层金属，但偏振抑制比超过单层1-2个量级。但是这些文章只研究了光的透射效率，另一方面他们设定的的光栅周期以及狭缝宽度远远小于入射光波长，一般只有几十到一百多纳米，此时对可见光的衍射效应也已经消失；从制备工艺上考虑，周期越小制备越困难。而且他们没有研究光入射角度对透射效率的影响，一般只是垂直入射。
反射式偏振片比透射式偏振片在光电集成等方面更具优势，但是反射式光栅偏振片的相关报道比较少，而且局限于某个波长或很窄的波段，以及某特殊入射角。1997年Carlos Lima等人(“Reflecting polarizing beam splitter反射式偏振光分束器”,Carlos R.A.Lima,Leandro L.Soares,Lucila Cescato,and Angelo L.Gobbi,OpticsLetters 203,203(1997))研究了单一波长632.8nm的光，以特定角度入射到单层金属光栅的偏振分光情况，在干涉效应的作用下，实现TM偏振光被反射，TE偏振光被背向衍射。2001年美国专利US6243199B1“Broad band wire grid polarizing beam splitter for usein the visible wavelength region可见光波段的宽带线栅偏振光分束器”提出利用周期小于210nm的金属光栅实现TM透射/TE反射的偏振光分束器，消光比达到100。2002年美国专利US2002/0191286A1"Polarisers and mass-production method and apparatus forpolarisers偏振片及其大规模制备方法"提出一种倾斜蒸镀金属的金属光栅制备方法，以提高TM透射效率，抑制TE透射效率。
总之，之前对光栅偏振特性的研究大多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。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。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：Scientific Reports 4,6491(2014)和IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics 19,4800205(2013)。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。其中，周期较大的光栅，制备工艺较简单，成本较低，并且更易于量产。但是在光栅周期大，狭缝宽的情况下，TE偏振光也会以常规波导模式进入狭缝，从而产生衍射、透射，降低反射、透射、和其它衍射方向上的偏振抑制比。因此我们提出在大的狭缝里添加介质-金属柱(条)，以将原本宽的狭缝分割成窄的狭缝，阻止TE光的进入。2005年D.C.Skigin和R.A.Depine("Transmissionresonances of metallic compound grating with subwavelength亚波长金属复合光栅的透射共振",Phys.Rev.Lett.95,217402(2005))曾提出将常规单层金属光栅中的狭缝改成几个(1-5个)间隔均匀的狭缝，发现由于狭缝间的透射共振效应，透射峰变宽，并在其中出现陡峭的凹谷。其光栅周期是亚波长，但是各个狭缝的宽度大约只有波长的十分之一，并不存在衍射效应。
发明内容:
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种复合结构金属光栅偏振分束器，采用多个狭缝、大周期金属光栅结构，使得入射的TE光不能进入狭缝，被反射。
本发明通过以下技术方案实现：
一种复合结构金属光栅偏振分束器，每个光栅周期内具有至少两个及以上的多个狭缝，所述狭缝之间的间隔含有金属材料，所述的多个狭缝及其间隔构成波导结构，所述的波导结构满足入射横电场电磁波在波导结构内模式截止，所述光栅的周期满足在一定入射角度下入射横磁场电磁波在光栅的反射或者透射面的衍射角小于90度。
选择合适的周期使得在所需要的入射角度下，满足公式|Ki-G|<k0或者|Ki+G|<k0的至少其中之一(Ki为入射光的波数，G＝n×2×π/T，T为光栅的周期，n为不为零的正整数，k0＝2×π/λ0×N，N为与光栅接触的反射面或者透射面材料折射率)，使得工作波长的至少-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。然后在一个光栅周期内制备至少两个及以上的狭缝，狭缝之间的间隔具有金属材料。多个狭缝形成以金属材料为分界的...金属-狭缝-金属-狭缝-金属...的与狭缝个数对应的波导结构，每个狭缝的宽度小于入射的横电场偏振光(TE光)最低阶模式所需宽度-也就是入射的TE光无法进入到狭缝只能被反射。而入射的横磁场偏振光(TM光)由于最低阶模式不截止从而可以被衍射。金属的高度大于TE光在狭缝内部的模式渗透深度。在满足以上的条件下，通过选择合适的狭缝宽度和高度，使得入射的TM波在狭缝顶部和底部的反射满足相位差为π的奇数倍，从而使得反射被抑制而衍射被增强。
在金属薄膜上制备具有复合结构金属光栅偏振分束的工艺流程为：在衬底上蒸镀金属薄膜，利用聚焦离子束刻蚀在金属薄膜上刻蚀出图案；制备一种狭缝的侧壁、顶部和底部都具有金属材料的复合光栅其工艺流程为：在衬底上旋涂PMMA胶，利用制备好的PDMS或者石英光栅模板，通过热压印，将和模板互补的图形转印到PMMA胶上，利用电子束蒸发，在PMMA光栅上蒸镀金属薄膜，通过旋转样品使得PMMA光栅狭缝的顶部、侧壁和底部都蒸镀上光栅；制备一种狭缝的顶部和底部具有金属材料的复合结构光栅，其制备工艺为：在衬底上旋涂热压印胶，蒸镀金属薄膜，利用制备好的模板做热压印，将和模板互补的图形转移到热压印胶和金属薄膜上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在单个狭缝的金属光栅偏振分束器中，为了抑制TE偏振光的衍射从而提高衍射的抑制比，需要狭缝越小越好，但是过小的狭缝也会降低TM偏振光的衍射效率，同时提高反射效率，因此无法提高器件的性能参数。而通过多个狭缝的设立，即使每个狭缝的宽度很小，TM偏振光都可以进入到狭缝中被充分衍射-等效的狭缝宽度为多个狭缝的宽度之合，而TE则无法进入每一个狭缝-等效宽度就是单个狭缝的宽度，从而克服了单个金属狭缝偏振分束器的狭缝宽度和TM的衍射效率之间的矛盾关系：偏振光分束特性好、性能稳定可靠。
(2)多个狭缝的设立，可以使得金属光栅周期变大，保证了TM光可以被衍射的同时可以实现TM偏振光多级的衍射分束，扩大了衍射光的波长范围，缓解了周期和狭缝宽度的矛盾，更有利于制备。
附图说明:
图1为本发明复合结构金属光栅偏振分束器的几何结构示意图，其中，a为复合结构金属光栅偏振分束器的整体结构，同时示意了对入射光的作用，b和c分别为复合结构金属光栅偏振分束器中第三材料3和第一材料1的详细结构，d和e分别为复合结构金属光栅偏振分束器中第四材料4和第二材料2的详细结构。
图2为实施例1利用商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期为600纳米的周期内有两个窄狭缝的复合结构金属铝光栅的反射、衍射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图，并与简单结构的周期内有单个宽狭缝的金属铝光栅的模拟结果进行对比。其中，图a1-a4分别为宽狭缝结构下的反射、衍射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图；图b1-b4分别为周期内有两个窄狭缝的复合结构下的反射、衍射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图。
图3为实施例2利用商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期为600纳米的周期内有三个窄狭缝的复合结构双层金属铝光栅的反射、衍射光谱图和偏振消光比。其中，图a-d分别为周期内有三个窄狭缝的复合结构下的反射、衍射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图。
图4为实施例3利用商业软件RSOFT模拟得到的周期为8微米的、周期内有四个窄狭缝的复合结构金属光栅的THz波段偏振分束器件的反射、衍射光谱图和偏振消光比，并与简单结构的周期内有单个宽狭缝的金属光栅的模拟结果进行了对比。其中，图a1-a3分别为宽狭缝结构下的反射、衍射光谱图、偏振消光比；图b1-b4分别为周期内有四个窄狭缝的复合结构下的反射、衍射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图。
图5为实施例4利用商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期为600纳米的、周期内有四个不等宽的窄狭缝的复合结构单层金属光栅的反射、衍射、透射光谱图和偏振消光比，并与简单结构的周期内有单个宽狭缝的金属光栅的模拟结果进行了对比。其中，图a1-a5分别为宽狭缝结构下的反射、衍射、透射光谱图和偏振消光比；图b1-b6分别为周期内有四个不等宽窄狭缝的复合结构下的反射、衍射、透射光谱图、偏振消光比和光栅结构示意图。
图6为实施例5利用商业软件RSOFT模拟得到的光栅周期为440纳米的、周期内有三个不同宽度的窄狭缝的复合结构双层金属银光栅的背向衍射光的偏振消光比，并与简单结构的周期内有单个宽狭缝的金属光栅的模拟结果进行了对比。其中，图a为宽狭缝结构下的背向衍射光的偏振消光比；图b1-b2分别为周期内有三个不同宽度的窄狭缝的复合结构下的背向衍射光偏振消光比和光栅结构示意图。
图7为实施例6利用商业软件RSOFT模拟得到的，当入射光波长为400纳米，光栅周期400纳米、U型金属覆盖的、周期内有两个窄狭缝的、复合结构金属光栅的背向衍射和反射的偏振抑制比，并与单个宽狭缝、以及单个窄狭缝的简单结构的金属光栅的模拟结果进行了对比。其中，图a、b分别为衍射和反射的偏振抑制比，不同的线型代表不同的光栅结构，这些光栅结构分别用图c-e表示。
图中：1-第一材料，2-第二材料，3-第三材料，4-第四材料，5-衬底，1.1-第一材料中的上层材料，1.2-第一材料中的下层材料，1.s-第一材料中的侧边材料，2.1-第二材料中的上层材料，2.2-第二材料中的下层材料，2.s-第二材料中的侧边材料，3.1-第三材料中的上层材料，3.2-第三材料中的下层材料，3.s-第三材料中的侧边材料，4.1-第四材料中的上层材料，4.2-第四材料中的下层材料，4.s-第四材料中的侧边材料，6-入射TM光，7-强烈的TM衍射光，8-入射TE光，9-强烈的TE反射光。d2、d4分别为一个周期内的窄狭缝宽度，t1、t3分别为一个周期内的材料宽度，T为周期，h为材料厚度，d2s、d4s、t1s、t3s分别为侧边材料的宽度，h1s、h2s、h3s、h4s分别为侧边材料的高度。
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。
一种复合结构双层金属光栅偏振分束器，每个光栅周期内具有至少两个及以上的狭缝，每个狭缝的宽度小于入射横电场(TE，电场平行于光栅线条)光波在狭缝波导内的单模截止宽度。光栅的周期满足在一定入射角度下入射横磁场(TM，磁场平行于光栅线条)光波的衍射存在。所述的光栅单元包括：位置左右相邻的第一材料1和第二材料2；至少一种第三材料3作为间隔材料将第二材料分为至少两个及以上小狭缝，每个小狭缝内可以填充不同于第二材料的第四材料4。光栅结构的衬底5为第五材料。第一材料1和第三材料2的顶部包含大于入射光趋肤深度的金属层。
所述的第二材料和第四材料可以是单层均匀介质，或是多层、不同材料的复合结构，包括在中心位置的上下结构的材料、和与其左右相邻的材料；其上层结构是对工作波长透明的相同或者不同的介质，或混合多层含有介质的薄膜；下层结构可以是相同或者不同的介质，或混合多层含有介质的薄膜，也可以是相同或者不同的金属或混合多层含有金属的薄膜。
所述的第一材料和第三材料可以是单层均匀金属，或是多层、不同材料的复合结构，包括材料在中心位置的上下结构的材料、和与其左右相邻的材料；其上层结构是相同或者不同的金属或混合多层含有金属的薄膜；下层结构可以是相同或者不同的介质或混合多层含有介质的薄膜，也可以是相同或者不同的金属或混合多层含有金属的薄膜。可以形成U型金属层覆盖的复合结构金属光栅偏振分束器。
光栅顶部可以有一层介质层，但其厚度要小于工作波长的十分之一，以保证TE光不被明显衍射。至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度，以阻止TE光以倏逝波模式透射。
所述的第二材料或第四材料中传播的TM光满足法布里-珀罗共振的干涉相消条件，使得工作波长TM反射光最小。
所述的第五材料为介质或金属。当第五材料采用对入射光透明的衬底时，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。
实施例1：一种复合结构金属光栅偏振分束器将背向衍射的消光比提高10-20倍。结合商业软件RSOFT的模拟结果和光栅结构示意图图2，左右两列分别对应简单和复合结构的金属铝光栅情况。光栅周期为600纳米；第二材料2和第四材料4相同，其上层材料都为厚度150纳米的空气，下层材料都为厚度60纳米的金属铝，其宽度都为100纳米；第一材料1的宽度为周期的一半，即300纳米，其中第一材料中的上层材料1.1为厚度60纳米的铝膜，第一材料中的下层材料1.2为厚度150纳米的PMMA(折射率1.55)；第三材料3的宽度为100纳米，其中第三材料中的上层材料3.1为厚度60纳米的铝膜，第三材料中的下层材料3.2为厚度90纳米的PMMA和厚度60纳米的铝的上下复合结构材料。衬底材料5为玻璃。模拟结果显示，在周期内包含两个狭缝的情况下，在非常宽的入射波长(包含了所有可见光波)和入射角度范围内，TE光的反射效率大大增强，尤其对于较短波长增强了9倍，TE光几乎都被反射；同时，TE光的背向衍射效率降低了1-2个量级。TM光变化较小。所以消光比提高了10-20倍。
实施例2：一种复合结构金属光栅偏振分束器在宽的角度范围内提高可见光波段的背向衍射的消光比。结合商业软件RSOFT的模拟结果和光栅结构示意图图3，光栅结构和实施例1的区别在于，光栅周期内有三个狭缝：三个狭缝都相同，上层材料都为厚度150纳米的空气，下层材料都为厚度60纳米的金属铝，其宽度都为60纳米；第一材料和实施例1中的第一材料相同；隔离三个狭缝的两种材料相同，宽度都为60nm，其上层材料都是厚度60纳米的铝，下层材料都是厚度150nm的PMMA。模拟结果显示，TE光的反射效率和实施例1差别不大，TE衍射效率更加降低。所以，在宽的第二介质狭缝内插入2个第三材料，同样可以获得在非常宽的入射波长(包含了所有可见光波)和入射角度范围内，TE光几乎都被反射，没有背向衍射，衍射光的消光比在可见光波段内达到10-600，在红外波段消光比大于1000。
实施例3：一种采用复合结构金属光栅的THz波段等离子体偏振分束器件，如图4所示，光栅周期内包含了四个狭缝，狭缝都相同，上层材料都为厚度2.5微米的空气，下层材料都为厚度1.2微米的复合金属铬-铝-铬组成，其宽度都为4/7微米；第一材料的宽度为4微米，其中的上层材料为厚度1.2微米的复合金属铬-铝-铬组成，下层材料为厚度2.5微米的PMMA；隔离四个狭缝的三种材料相同，宽度都为4/7微米，其中的上层材料为厚度1.2微米的复合金属铬-铝-铬组成，下层材料为厚度2.5微米的PMMA。上述的复合金属铬-铝-铬的组成都相同，中间层铝膜的厚度为1.18微米，上下层铬膜的厚度都为10纳米，铬的作用是增加金属和介质的粘连性。光栅周期为8微米。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。特别是对于频率小于0.24THz(波长8微米)的电磁波，衍射的偏振抑制比比周期中只包含一个大狭缝的情况提高了50-200倍。
实施例4：一种复合结构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5，光栅周期为600纳米的单层金属铬/铝/铬光栅的反射、衍射、透射、以及衍射和透射消光比的光谱图。每个周期内有4个空气狭缝，中间的两个空气狭缝宽度都为25纳米，两侧的空气狭缝宽度都为50纳米；四个空气狭缝的间隔材料相同，都是宽50纳米的铬/铝/铬膜；第一材料为宽300纳米的铬/铝/铬。上述材料的厚度都为60nm。上述的复合金属铬-铝-铬的组成都相同，中间层铝膜的厚度为40纳米，上下层铬膜的厚度都为10纳米，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结构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5：一种复合结构金属银光栅将可见光波段的背向衍射的消光比在宽的角度范围内提高10-60倍。结合商业软件RSOFT的模拟结果和光栅结构示意图图6，光栅周期为440nm，周期内包含了三个狭缝，其宽度分别为20、40、60纳米，其上层材料都为厚度180纳米的空气，下层材料都为厚度100纳米的金属银；隔离三个狭缝的两种材料宽度分别为40和60纳米，其中的上层材料都是厚度100纳米的银，下层材料都是厚度180纳米的PMMA。第一材料的宽度为220纳米，其中的上层材料为厚度100纳米的银，下层材料为厚度180纳米的PMMA。模拟结果显示，这个多狭缝结构将可见光波段的背向衍射的消光比在宽的角度范围内从2～100提高到20～6000。
实施例6：一种复合结构金属光栅将背向衍射和反射的消光比同时、宽光谱范围内大幅度提高。结合商业软件RSOFT的模拟结果和光栅结构示意图图7，光栅周期为400纳米的宽狭缝(200纳米)和窄狭缝(60纳米)简单U型金属铝覆盖的光栅和具有两个窄狭缝的复合结构U型金属铝覆盖的光栅、针对400纳米入射光的、背向衍射消光比和反射消光比。复合结构中，作为狭缝的第二材料和第四材料相同，宽度都是60纳米，上层材料2.1和4.1都是厚度50纳米、宽50纳米的空气，下层材料2.2和4.2都是厚度50纳米、宽50纳米的金属铝，侧边2.s和4.s都是宽5纳米、厚50纳米的铝膜；隔离狭缝的第三材料宽度为80纳米，上层材料3.1为宽80纳米、厚50纳米的铝，下层材料为宽80纳米、厚50纳米的PMMA，侧边3.s为宽5纳米、厚50纳米的铝膜；第一材料宽度为200纳米，上层材料1.1为宽200纳米、厚50纳米的铝，下层材料为宽200纳米、厚50纳米的PMMA，侧边1.s为宽5纳米、厚50纳米的铝膜；模拟结果显示，周期内包含两个窄狭缝的情况下，在非常宽的入射角度范围内，这种复合结构光栅(Case 3)的反向衍射消光比比宽狭缝光栅(Case 1)提高了1000倍，比窄狭缝光栅(Case 2)提高3倍，反射消光系数更是提高了1000倍以上。

Claims (4)

1.一种复合结构金属光栅偏振分束器，其特征在于，每个光栅周期内具有至少两个及以上的多个狭缝，所述狭缝之间的间隔含有金属材料，所述的多个狭缝及其间隔构成波导结构，所述的波导结构满足入射横电场电磁波在波导结构内模式截止，所述光栅的周期满足在一定入射角度下入射横磁场电磁波在光栅的反射面或者透射面的衍射角小于90度；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；每个狭缝的宽度小于入射的横电场偏振光最低阶模式所需宽度；金属的高度大于TE光在狭缝内部的模式渗透深度；
所述多个狭缝的宽度、深度和折射率能够满足入射横磁场电磁波产生法布里-珀罗共振反射相消，使得入射的横磁场电磁波反射最小；
对应横磁场电磁波入射面和横电场电磁波入射面的金属层厚度大于工作波段的趋附深度。
2.根据权利要求1所述的复合结构金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的光栅包括衬底、衬底之上的金属薄膜和金属薄膜内嵌有的至少两个狭缝。
3.根据权利要求1所述的复合结构金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的光栅包括衬底、介质薄膜、介质薄膜内嵌至少两个以上的狭缝、介质薄膜顶部以及狭缝的侧壁和底部都覆盖有金属材料。
4.根据权利要求1所述的复合结构金属光栅偏振分束器，其特征在于，所述的光栅包括衬底、介质薄膜、介质膜内嵌至少两个以上的狭缝、介质薄膜顶部以及狭缝的底部都覆盖有金属材料。
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