CN113204068B

CN113204068B - 一种纳米光栅结构偏振器件

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Publication number: CN113204068B
Application number: CN202110504416.7A
Authority: CN
Inventors: 苏涛; 刘宇建; 钱沁宇; 王钦华
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: CN113204068A

Abstract

本发明公开了一种纳米光栅结构偏振器件，包括基底，基底上方设有过渡层，过渡层上方设置一维铝纳米线栅，一维铝纳米线栅包括设置在过渡层上方的铝光栅层以及通过PMMA介质层嵌入铝光栅层中的三角形铝光栅，光线从基底向光栅方向入射。通过对各参数的调试，可使其在2‑20μm红外波段获得80%左右的透过率和90dB以上的偏振消光比，且透过率随波长变化波动较小，基本保持在80%~90%之间。在偏振成像、显示、医学应用、设备的小型化与集成化、光学存储和光通信等领域具有应用潜力。

Description

一种纳米光栅结构偏振器件

技术领域

本发明涉及一种纳米光栅结构偏振器件。

背景技术

作为光学信息处理与测量系统中的重要光学元件，偏振器件在生产生活与科研中有着越来越广泛的应用。传统的偏振片为两玻璃片之间粘夹双向色性有机晶体的形式。这种偏振片的消光比很有限，而且光线的透过率也较低，无法产生高质量的线性偏振光。而且传统偏振片体积庞大，无法适应设备集成化和小型化的需求。

近年来，人们发现纳米超表面结构的光栅具有优良的偏振特性，并对其进行了大量研究。理论与实践表明，当光栅的周期、厚度小于光波长时，将表现出较好的偏振特性。利用此种特性，可实现偏振转换、旋光、矢量光束产生等功能。

随着科学研究的不断进步，人们对于优质线性偏振光的需求也越来越高，故而近年来对于超表面纳米光栅结构的研究也越来越多。

2017年，Chen等人设计并搭建了一种以荧光陶瓷为基底，氟化镁为过渡层的铝光栅结构，在可见光波段（400-700nm）上实现了60%以上的透过率和20dB以上的偏振消光比。2019年，Xia等人设计并构建了一种以硒化锌为基底，氟化钡为过渡层，硫化锌为介质的铝光栅结构，在8-12μm波段上获得了80%以上的透过率和35dB以上的偏振消光比。

2009年，Zhang等人设计了一种直接搭建于基底上的周期150nm的铝光栅结构，可将InGaN/GaN发光二极管出射的光进行偏振，并获得了8.5dB的偏振消光比。Ma等人于2012年也提出了一个相似的结构，于蓝宝石基底上搭建铝线栅，可将GaInN二极管出射的光偏振，并获得了17dB的偏振消光比。然而这些单层结构的纳米线光栅的透过率和消光比仍不能满足我们的需求，为了追求更佳的性能，带有多层纳米结构的光栅开始被广泛研究。

2014年，T．Weber等人实现了一种硅光栅结构，此结构可在紫外波段工作，可在长达100nm的带宽内实现42%以上的透过率和19.5dB以上的偏振消光比。2010年，Yamada等人提出了一种Y₂O₃基底上搭载硅化钨的光栅结构，在3-7μm中红外波段获得了70%左右的透过率和20dB左右的偏振消光比。2018年，Kang等人采用纳米压印技术在IPS基底上构建了铝纳米线栅，制成了柔性红外纳米线栅偏振器，并在4.5-6.5μm波段获得了70%左右的透过率和20dB左右的偏振消光比。相较于单层结构的纳米线栅，多层结构的纳米光栅的制造工艺与难度更高。但是随着纳米压印等技术的进步，一些更为复杂的结构的实现也愈发可能，这些结构有着极其优良的偏振特性。

在结构上，亚波长光栅偏振器件的光栅结构按其空间的周期变化可分为一维光栅、二维光栅、准周期光栅和连续光栅四种。目前绝大多数的超表面纳米光栅偏振器件都是二维的金属光栅结构，其制造难度较大，制造的精度要求也更高；而大部分一维光栅结构存在着消光比较低、工作范围带宽窄的缺点。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种纳米光栅结构偏振器件，可工作在2~20μm的红外宽波段。

技术方案：一种纳米光栅结构偏振器件，包括基底，所述基底上方设有过渡层，所述过渡层上方设置一维铝纳米线栅，所述一维铝纳米线栅包括设置在所述过渡层上方的铝光栅层以及通过PMMA介质层嵌入所述铝光栅层中的三角形铝光栅，光线从所述基底向光栅方向入射。

进一步的，所述基底材料为硒化锌，所述过渡层由下方的氟化镁过渡层以及上方的硫化锌过渡层构成，所述氟化镁过渡层厚度H1为100nm~200nm，所述硫化锌过渡层厚度H2为0~50nm，所述铝光栅层厚度H3为150nm~200nm，所述PMMA介质层厚度H4为250nm~300nm；所述三角形铝光栅高度H5为150nm~200nm，三角形铝光栅周期P为150~300nm，占空比DC=W/P取0.5~0.7。

进一步的，所述氟化镁过渡层厚度H1=100nm，所述硫化锌过渡层厚度H2=25nm，所述铝光栅层厚度H3=200nm，所述PMMA介质层厚度H4=250nm；所述三角形铝光栅高度H5=200nm，三角形光铝栅周期P=150nm，占空比DC=0.7。

有益效果：本结构采用一维多层纳米线栅结构，且结构较为简单，较二维光栅结构，制造相对简单；通过对各参数的调试，可使其在2-20μm红外波段获得80%左右的透过率和90dB以上的偏振消光比，且透过率随波长变化波动较小，基本保持在80%~90%之间。在偏振成像、显示、医学应用、设备的小型化与集成化、光学存储和光通信等领域具有应用潜力。

硒化锌对红外光有很好的透过率，常用于红外光学仪器的制造，故基底采用硒化锌材料。氟化镁有着良好的偏振特性，而且透过率较佳；硫化锌具有高透过率、高折射率的特性，且具有优良的电致发光功能，故采用氟化镁和硫化锌作为过渡层，进一步加强光栅的性能。考虑到二氧化硅在10μm波段附近折射率发生突变，会使整体结构的透过率在10μm附近性能较差，故采用折射率相似但更为平顺的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethylmethacrylate）代替。光栅结构采用一维铝纳米线栅，因为相比之下，其具有制造简单、造价低、性能佳的优势。

此外，由于基于超表面纳米线栅的偏振片在制造过程中会出现一些误差、缺陷或技术困难，本偏振片结构较为简单，过渡层可通过纳米涂敷的工艺实现，光栅层可通过纳米压印和纳米蚀刻技术实现。

附图说明

图1为本偏振器件的立体示意图；

图2为本偏振器件的横截剖面图；

图3为本偏振器件的剖面结构示意图；

图4为本偏振器件的偏振片性能图；

图5为参数H1对结构性能的影响，其中（a）为氟化镁过渡层H1对透过率的影响，（b）为氟化镁过渡层H1对偏振消光比的影响；

图6为参数H2对结构性能的影响，其中（a）为ZnS过渡层厚度H2对透过率的影响，（b）为ZnS过渡层厚度H2对偏振消光比的影响；

图7为参数H3的厚度变化对偏振片性能的影响，其中（a）为H3厚度变化对偏振片透过率的影响，（b）为H3厚度变化对结构消光比的影响；

图8为质层厚度H4的厚度对结构性能的影响，其中（a）为H4的值对结构透过率的影响，（b）为H4的值对结构偏振性能的影响；

图9为三角形铝光栅高度H5对偏振片性能的影响，其中（a）为H5的值对偏振片透过率的影响，（b）为H5取值对偏振片偏振性能的影响；

图10为光栅周期P对偏振片性能的影响，其中（a）为光栅周期P对透过率的影响，（b）为光栅周期P对偏振消光比的影响；

图11为光栅占空比DC对偏振片性能的影响，其中（a）为占空比DC对透过率的影响，（b）为占空比DC对偏振性能的影响；

图12为H3取值对偏振片性能的影响，其中（a）为H3取值对偏振片透过率的影响，（b）为H3取值对偏振片偏振性能的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至图3所示，一种纳米光栅结构偏振器件，包括硒化锌基底，硒化锌基底上方设有过渡层，过渡层由下方的氟化镁过渡层以及上方的硫化锌过渡层构成，过渡层上方设置一维铝纳米线栅，一维铝纳米线栅包括设置在硫化锌过渡层上方的铝光栅层以及通过PMMA介质层嵌入铝光栅层中的三角形铝光栅，光线从基底向光栅方向入射。

其中，氟化镁过渡层厚度H1=100nm，硫化锌过渡层厚度H2=25nm，铝光栅层厚度H3=200nm，PMMA介质层厚度H4=250nm；三角形铝光栅高度H5=200nm，三角形铝光栅周期P=150nm，光栅脊宽W=105nm，占空比DC=0.7。在该参数下，可对2-20μm波段的光线进行偏振，透过率在80%左右，如图4所示。

在图4中可以看到，该结构在2000-20000nm波段范围内透过率基本可保持在80%以上，其偏振消光比更是可以保持在95dB以上，可见其在该波段有着一个非常高的偏振效果，且透明度良好，表现出极好的工作效率。

为进一步揭示其工作原理，探寻此结构不同部分的偏差对整体性能的影响，通过分别改变各参数的值来观察各个结构参数对透过率、偏振消光比的影响，并分析其变化趋势。

首先固定其他参数不变，令H2=25nm，H3=20nm，H4=50nm，H5=50nm，P=150nm，占空比DC=W/P=0.33，该参数H1对入射光的透过率和偏振消光比的影响如下图5（a）、5（b）所示。可以看到，H1的变化对于5000nm以上波段光线的透过率影响不大，但是随着H1厚度的增加，此结构对于5000nm以下波段的透过率明显下降，但H1=200nm时，其透过率曲线仍能保持在80%以上，在可接受范围内。同时，随着H1的值的增加，可以看到该结构的偏振消光比ER有着上升的趋势，这是由于氟化镁本身就具有一定的偏振性能，理论上氟化镁过渡层越厚，该结构的偏振性能越好。但是考虑到偏振片需要保持较高的透过率，故而H1厚度保持在100-200nm之间比较合适。整体来看，该结构对于波长较短的光线有着更高的透过率，随着波长增加，透过率有缓慢下降的趋势。但是随着光波长的增加，偏振片的偏振性能逐步提升。

接下来固定H1=100nm，H3=20nm，H4=50nm，P=150nm，DC=0.33，探究H2的变化对结构性能的影响，结果如下图6（a）、6（b）所示。可以看到，随着H2厚度的增加，低波段光线的透过率急剧下降，长波段光线的透过率虽有下降趋势，但受H2厚度影响不明显。这是由于硫化锌对于长波段光线的透过率较高，但对于短波段的透过率较低，所以短波段的透过率对硫化锌层厚度的变化更加敏感，且随着H2厚度的增加急剧下降。同时，由图6（b）可见，H2的变化对于偏振片消光比的影响很小。综合考虑结构的透过率与消光比之后，硫化锌过渡层的厚度取在0-50nm之间为宜。

保持其他参数不变，固定H1=100nm，H2=25nm，H4=50nm，H5=50nm，P=150nm，DC=0.33，探究H3的变化对偏振片性能的影响，结果如下图7（a）、7（b）所示。由图7（a）可以看出，在H3<50nm时，随着H3厚度的增加，光线透过率有下降的趋势，但是受H3厚度影响不大；但是当H3厚度达到50nm或更大时，偏振片的透过率骤降。这是因为此处设定H4的值为50nm，当H3的值达到50nm之后，铝层与三角形铝结构发生重叠。众所周知，金属对光线的透过率很低，所以这时候光线的透过率会发生骤降。所以实际应用和制造中，要避免此情况的出现。再由图7（b）中可以看出，随着H3的值的增加，该结构的偏振性能显著提高。但是要兼顾到偏振片的透过铝，H3的值应取在40nm左右最佳。

接下来固定H1=100nm，H2=25nm，H3=40nm，H5=50nm，P=150nm，DC=0.33，探究H4的变化对结构性能的影响，结果如图8（a）、8（b）所示。如图8（a）所示，在PMMA介质层厚度大于Al光栅层厚度时，随着H4的增加，结构的透过率有一定的提升。与H3的变化同理，当H4≤H3时，三角形光栅与铝光栅层重叠，透过率几乎降为0。根据图8（b）可以看出，介质层厚度H4的增加对偏振片的偏振性能有着显著的提高。综合考虑透过率和偏振性能，H4的值取250nm附近较为合适。

保持其他参数不变，固定H1=100nm，H2=25nm，H3=40nm，H4=250nm，P=150nm，DC=0.33，观察三角形铝光栅层的厚度H5对光栅性能的影响。结果如下图9（a）、9（b）所示。根据图9（a），发现随着三角形铝光栅高度的提升，短波段的透过率有轻微的下降趋势，但基本能保持在80%左右，长波段的透过率则受H5取值变化影响不大。但是由图9（b）可以看出，随着H5取值的增加，光栅的偏振消光比有显著的提升，即偏振性能有显著提高。综合考虑透过率与偏振性能，将H5的高度定在200nm左右，这样可以在保证80%的透过率的同时，获得最佳的偏振性能。

在考虑完结构间各部分厚度对于偏振片性能的影响之后，得到了80%左右的透过率和50dB以上的偏振消光比。为获得更佳的偏振性能，接下来对光栅参数，即光栅周期P和占空比DC（DC=W/P）做出调整，以找出可以进一步提高偏振片偏振性能的结构参数。

将之前所得的各部分厚度参数固定在最佳位置，即H1=100nm，H2=25nm，H3=40nm，H4=250nm，H5=200nm，占空比DC暂时固定为0.33，改变光栅周期P的值，得出了如图10（a）、10（b）所示的结果。由图10（a）所示，光栅周期P的增加会使偏振片的透过率发生下降，在750nm附近时，其短波段更是降至50%以下。这可能是光栅周期的增加使光栅尺寸加大，使其逐步接近光波长，从而使亚波长结构的性能优势减弱。从图10（b）中P对ER的影响也可以看出这一点。随着光栅周期逐步增大，偏振片的偏振性能显著降低，这进一步验证了上述猜想。故而，取光栅周期P的值为150nm，在保证透过率的前提下，将偏振片的偏振消光比提高到了60dB以上。

接下来，固定以上参数，即H1=100nm，H2=25nm，H3=40nm，H4=250nm，H5=200nm，P=150nm，调整光栅的占空比DC，即相当于调整光栅脊宽W的值，经过仿真和数据的处理，我们得出了如图11（a）、11（b）所示的图线。由图11（a）可以看出，偏振片的透过率在DC取0.5-0.7时最佳，这是由于无论DC的取值过大或过小，都会使不透明的铝占据光栅主体，自然会使光栅的透过率急剧下降。但从图11（b）的图线可以得出，随着占空比DC的增加，光栅的偏振性能会有显著的提高，但是这种提高有放缓的趋势。同时为了兼顾光栅的透过率，占空比DC的取值在0.7左右，即光栅脊宽W取105nm左右最为合适，此时可在透过率保持在80%以上的同时，获得70dB以上的偏振消光比。

此时发现，经过参数调控之后，铝层相对于介质层的厚度降低了不少。根据之前的数据和图线分析认为，可以对H3的厚度进行进一步调控，或许可以获得更佳的性能。于是固定H1=100nm，H2=25nm，H4=250nm，H5=200nm，P=150nm，DC=0.7，调整铝层的厚度H3，得出了如图12（a）、12(b)所示的结果。由图12（a）可以看到，H3在50-200nm之间取值时，其对偏振片的透过率影响不大。但是其对于偏振片的偏振性能有着很大影响，随着H3增加，偏振消光比显著提高。但是与之前类似，综合考虑到偏振性能与透过率，取H3的值为200nm，获得了80%以上的透过率以及90dB以上的偏振消光比。

综合以上数据并对其分析，最终可以作为2-20μm波段偏振片的参数为：氟化镁过渡层厚度H1为100nm~200nm，硫化锌过渡层厚度H2为0~50nm，铝光栅层厚度H3取150nm~200nm，PMMA介质层厚度H4为250nm~300nm，三角形铝线栅高度取150nm~200nm，光栅周期P取150~300nm，占空比DC=W/P取0.5~0.7。在此参数下，偏振片可在2~20μm波段内实现对平面自然光的偏振，透过率保持在75%以上，且可保证50dB以上的偏振消光比。特别地，当取H1=100nm，H2=25nm，H3=200nm，H4=250nm，H5=200nm，P=150nm，DC=0.7时，偏振片性能达到最佳，此时可获得80%以上的透过率以及90dB以上的偏振消光比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种纳米光栅结构偏振器件，其特征在于，包括基底，所述基底上方设有过渡层，所述过渡层上方设置一维铝纳米线栅，所述一维铝纳米线栅包括设置在所述过渡层上方的铝光栅层以及通过PMMA介质层嵌入所述铝光栅层中的三角形铝光栅，光线从所述基底向光栅方向入射；所述基底材料为硒化锌，所述过渡层由下方的氟化镁过渡层以及上方的硫化锌过渡层构成，所述氟化镁过渡层厚度H1为100nm~200nm，所述硫化锌过渡层厚度H2为0~50nm，所述铝光栅层厚度H3为150nm~200nm，所述PMMA介质层厚度H4为250nm~300nm；所述三角形铝光栅高度H5为150nm~200nm，三角形铝光栅周期P为150~300nm，占空比DC=W/P取0.5~0.7。

2.根据权利要求1所述的纳米光栅结构偏振器件，其特征在于，所述氟化镁过渡层厚度H1=100nm，所述硫化锌过渡层厚度H2=25nm，所述铝光栅层厚度H3=200nm，所述PMMA介质层厚度H4=250nm；所述三角形铝光栅高度H5=200nm，三角形光铝栅周期P=150nm，光栅脊宽W=105nm，占空比DC=0.7。