CN110609345A - 基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，属于微纳光学及衍射光学领域，该微纳半波片由多个纳米砖结构阵列构成，纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向沿x轴或y轴的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构阵列后，其透射光偏振方向会发生改变，透射光再经过一检偏方向与入射线偏振光方向平行的检偏器后，由马吕斯定律可知其振幅会发生变化，振幅变化量与微纳半波片转角相关，通过合理设计多个纳米砖结构阵列中的微纳半波片转角分布，可以得到振幅型光栅。本发明制得的振幅型光栅的振幅可连续调制，且只需一次光刻，加工容易，设计灵活。

Description

基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及衍射光学的技术领域，具体涉及一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法。

背景技术

能对入射光波振幅进行调制的衍射光栅称为振幅型光栅，又称黑白光栅，常用的振幅型光栅包括矩形光栅及正弦光栅。矩形光栅是在透明基底上刻画大量狭缝构成，对光的振幅调制只有全透和不透两种状态。相应地，透射系数按正弦函数变化的光栅称为正弦光栅，由于双光束干涉图样的强度分布函数具有正弦函数的形式，因此把一张记录了双光束干涉条纹的底片进行线性曝光后，它的透射系数分布就具有正弦形式，这样的一张底片就是一块正弦光栅。若要制造透射系数分布更为复杂的振幅型光栅，需要构造出复杂的干涉光场并进行曝光。一方面，干涉光场分辨率受到衍射极限的限制，且不是所有的透射系数分布都能构造出对应的干涉光场。另一方面，构造出复杂的干涉光场并进行曝光，这一构造振幅型光栅的方法加工难度较高，费用不够低廉，难以批量复制。因此，目前复杂的振幅型光栅的加工及应用受到了很大的限制。

发明内容

基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，该方法制得的光栅能实现任意透射系数分布，具有广阔的应用前景。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的纳米砖结构单元的结构参数，其中，所述纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在所述基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建纳米砖结构阵列，所述纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向沿x轴或y轴的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构阵列后再经过检偏方向与入射线偏振光方向平行的检偏器后，得出入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后其振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ存在余弦关系，然后根据所要加工的光栅要求的振幅调制分布以及得到的振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ之间的余弦关系确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ，将所述纳米砖结构阵列中的每个所述纳米砖结构单元上的所述纳米砖按得到的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得振幅型光栅。

进一步地，优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为：以采用偏振方向相互垂直的两束线偏振光同时垂直于所述工作面入射时，两束线偏振光透过率相同且相位差等于π为优化目标，在工作波长下，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

进一步地，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述工作面边长C以及所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H的尺寸。

进一步地，所述纳米砖结构阵列中各所述纳米砖的尺寸以及两两相邻的所述纳米砖的中心间隔均相同。

进一步地，所述透明基底由熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖由电介质材料制成。

本发明另一个目的是提供一种根据上述基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法制得的振幅型光栅。

本发明提供一种基于微纳半波片的振幅型光栅，其由多个纳米砖结构阵列构成，当线偏振光入射时，透射光偏振方向会发生改变。透射光再经过一检偏器时，由马吕斯定律可知其振幅会发生变化，变化量与微纳半波片转角相关。通过合理设计微纳半波片转角分布，可以实现振幅型光栅。本发明所涉及的原理为：

在本发明的技术方案中，在某一工作波长下，纳米砖结构单元可等效为一个半波片，即偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光与偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光透过率相同，相位差为π。当入射线偏振光偏振方向沿x轴时，纳米砖结构阵列中每个纳米砖结构单元对线偏振光实现的偏振调节功能可由下式说明，

即以偏振方向沿x轴的线偏振光入射时，透射光依然为线偏振光，但其偏振方向与x轴夹角为2θ。

在上述技术方案基础上，当采用检偏方向沿x轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光振幅变化为

即透射光重新变为沿x轴方向偏振，振幅大小为cos2θ。

在上述技术方案基础上，可以通过改变纳米砖的转向角θ的大小实现任意振幅调制，即可构造振幅型光栅。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明所提出的振幅型光栅，具有连续振幅调制功能，可实现任意透过率分布，设计灵活，功能强大；

2)纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的振幅型光栅体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展；

3)由于本发明的振幅型光栅为二台阶平面结构，因此在加工制造、批量生产等方面较为简单、节约成本。

附图说明

图1为本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例中纳米砖结构单元的俯视图；

图3为本发明实施例中纳米砖结构单元的长短轴透过率扫描图；

图4为本发明实施例中纳米砖结构单元的长短轴相位扫描图；

图5为本发明实施例中振幅型光栅的电子显微镜图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

鉴于现有技术中制作振幅型光栅存在的问题，本发明提供一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的纳米砖结构单元的结构参数，其中，纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建纳米砖结构阵列，所述纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向沿x轴或y轴的线偏振光垂直入射纳米砖结构阵列后再经过检偏方向与入射线偏振光方向平行的检偏器后，线偏振光经过每个纳米砖结构单元和检偏器后其振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ存在余弦关系，然后根据所要加工的光栅要求的振幅调制分布以及得到的振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ之间的余弦关系确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ，将纳米砖结构阵列中的每个纳米砖结构单元上的纳米砖按得到的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得振幅型光栅。

在本实施例中，纳米砖采用的材料为二氧化钛，当然也可以为其他的电介质材料，如硅等；基底采用熔融石英玻璃材料，纳米砖沉积在基底工作面上。单个纳米砖结构单元如图1所示，其俯视图如图2所示。纳米砖结构单元的透明基底的工作面为正方形，工作面的边长为C；L为纳米砖长轴尺寸，W为纳米砖短轴尺寸，H为纳米砖高度，尺寸均为亚波长级，θ为纳米砖朝向角。振幅型光栅包括纳米砖结构阵列，而纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，且纳米砖结构阵列中各相邻的纳米砖的尺寸和中心间隔均相同。为使该纳米单元等效为半波片工作，以偏振方向相互垂直的两束线偏光垂直入射工作面时，纳米砖结构单元的尺寸根据这两束入射光的透过率和相位进行优化得到，即根据偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光与偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光透过率相同且相位差为π优化得到。

具体的，以工作波长λ＝480nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，当纳米砖朝向角为0时，以偏振方向沿x轴的x线偏振光和偏振方向沿y轴的y线偏振光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描纳米砖结构单元的结构参数，包括L、W、H、C，以两束线偏光透过率相同且相位差等于π为优化对象，扫描结果如图3、图4所示。在该工作波长情况下，x线偏振光和y线偏振光透射率均为90％左右，且两束线偏振光相位差等于π，此时纳米砖结构单元的结构参数为：L＝210nm，W＝100nm，H＝600nm，C＝400nm。在上述优化好的纳米砖结构单元的结构参数下，可以使该纳米砖结构单元等效为半波片。

当入射线偏振光偏振方向沿x轴时，纳米单元阵列中每个纳米砖结构单元对线偏振光实现的偏振调节功能可由下式说明，

即以偏振方向沿x轴的线偏振光入射时，透射光依然为线偏振光，偏振方向与x轴夹角为2θ。

当采用检偏方向沿x轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光振幅变化为

即透射光重新变为沿x轴方向偏振，振幅大小为cos2θ。

根据上述原理，得到振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ之间的余弦关系，故可以通过改变纳米砖转向角θ的大小实现任意振幅调制，即可构造振幅型光栅。具体地，根据所要加工的光栅要求的振幅调制分布和上述振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ之间的余弦关系cos2θ确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ，再将纳米砖结构阵列中的每个纳米砖结构单元上的纳米砖按得到的各位置处对应的微纳砖转向角θ进行排布，从而获得振幅型光栅。在本实施例，当构造振幅分布为余弦形式的光栅时，纳米砖朝向角线性增加，此时振幅型光栅电子显微镜拍摄的图片如图5所示。

在其他的实施方式中，可以根据需求设定工作波长以及振幅型光栅透过率分布以获得所需的振幅型光栅。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为半波片的纳米砖结构单元的结构参数，其中，所述纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在所述基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建纳米砖结构阵列，所述纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向沿x轴或y轴的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构阵列后再经过检偏方向与入射线偏振光方向平行的检偏器后，得出入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后其振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ存在余弦关系，然后根据所要加工的光栅要求的振幅调制分布以及得到的振幅变化量与两倍的纳米砖转向角θ之间的余弦关系确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ，将所述纳米砖结构阵列中的每个所述纳米砖结构单元上的所述纳米砖按得到的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得振幅型光栅。

2.如权利要求1所述的基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，其特征在于，优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为：以采用偏振方向相互垂直的两束线偏振光同时垂直于所述工作面入射时，两束线偏振光透过率相同且相位差等于π为优化目标，在工作波长下，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

3.如权利要求2所述的基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，其特征在于，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述工作面边长C以及所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H的尺寸。

4.如权利要求1所述的基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，其特征在于，所述纳米砖结构阵列中各所述纳米砖的尺寸以及两两相邻的所述纳米砖的中心间隔均相同。

5.如权利要求1所述的基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法，其特征在于，所述透明基底由熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖由电介质材料制成。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的基于微纳半波片的振幅型光栅的制作方法制得的振幅型光栅。