CN114609794B - 基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正入射条件下基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，单个周期的光栅结构由顶层金属材料构成二维结构光栅层、金属层、基底层构成；顶层的二维结构光栅层为对称排放的二维圆柱或圆台阵列结构。本发明公开的金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器使得TE偏振模式的入射光中心波长为780nm以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(0,‑1)阶和(0,1)阶反射衍射级次，且能量大于45％；TM偏振模式的入射光中心波长为780nm以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(‑1,0)阶和(1,0)阶反射衍射级次，且能量大于45％，实现对光的偏振态正交分解，同时制作容宽大，方便制作。
Description
技术领域
本发明涉及透射光栅技术领域，具体涉及一种基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器。
背景技术
偏振分束器是集成光学中用于分离两束正交偏振光的重要功能元件，在磁光数据存储、偏振成像系统、偏振检测和分析、光交换网络、激光干涉仪等领域有广泛的应用。传统的基于双折射效应的晶体或具有二向色性物质的偏振分束器，如Wollaston棱镜、Nicol棱镜等。一方面，这些棱镜需要较大的厚度来分离两束正交偏振光，对入射角敏感，以及庞大的体积与随之增长的重量等弊端使其不适合用于集成光学。另一方面，棱镜贴合工艺和镀膜工艺带来的偏差也会使偏振分束效果大打折扣。近年来，利用光子晶体的偏振分束器引起了人们的极大兴趣，如利用波导技术对入射光的偏正态进行耦合分离【参见在先技术1：林杰等，带宽偏振分束器，发明专利，CN108205172B】，而光子晶体的制备工艺却受到了挑战。对于设计成偏振分束器的小体积和简单制造工艺的光栅，已经做了大量的工作。对于周期在入射波长或亚波长附近的高密度光栅有很多研究报道。这种高密度光栅可以表现出诸如高效率、偏振控制等新颖有趣的效果，这与传统的低密度光栅不同，后者的周期远远大于入射波长。严格耦合波分析法【参见在先技术2：Li,L.(1997).JOSA A,14(10),2758-2767】，又称傅里叶模态法，通过相对介电常数的傅里叶展开式求解每个重复单元的麦克斯韦方程组，可用于计算二维光栅等周期结构。通过调整傅里叶模式的数目来控制计算速度和精度，具有计算机存储量小、收敛速度快的优点。优化过程可采用严格耦合波分析数值实现，其物理机理可基于模态方法进行解释。高密度光栅作为一种新型的微光学元件，已经进行了许多理论讨论，并在实验中得到了证实。因此，设计性能优良的高密度光栅元件对众多光学信息处理系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，可以使得TE偏振模式的入射光以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(0,-1)阶和(0,1)阶衍射级次，且能量大于45％；TM偏振模式的入射光中心波长为780nm以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(-1,0)阶和(1,0)阶衍射级次，且能量大于45％，实现对光的偏振态正交分解，该偏振相关高效率反射型二维单层金属光栅在磁光数据存储、偏振成像系统、偏振检测和分析、光交换网络等领域中能够发挥重要作用。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，该金属倾斜圆台或圆柱二维光栅是偏振相关高衍射效率单层金属介质圆台或圆柱二维阵列光栅，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅结构自上而下为二维结构介质光栅层1、金属层2和基底层3；位于顶层的二维结构介质光栅层1为规则等距排布的圆柱体或圆台结构。
进一步地，所述二维结构介质光栅层1的材料为银(Ag)或金(Au)。银(Ag)和金(Au)两种金属材料具有高反射率、结构稳定的优点。随着入射波长的改变，两种金属的反射率和折射率的变化范围小，易于在宽波带的使用环境中与入射光相互作用。
进一步地，所述金属层2的材料为银(Ag)或金(Au)。由上述两种金属的高反射率的优点，当银(Ag)或金(Au)作为金属层2，入射光与光栅结构相互作用时，反射层能降低光的透射率，保证光能反射回二维结构介质光栅层1，从而提高反射效率。二维结构介质光栅层1和金属层2选取一样的金属材料，有利于在制作过程中一次性对光刻图形进行金属镀膜，减少制作难度和制作工艺。
进一步地，所述基底层3材料为Zerodur玻璃、SiO2材料或Si材料。基底层需要坚固稳定的材料，以保证光栅结构不会因为基底的形状改变而变化。Zerodur玻璃随着温度变化的膨胀系数变化很小，是常见的基底层材料。
进一步地，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的工作中心波长为755-830纳米，入射角为正入射。780nm是常见的激光器工作波长，在该波长附近总共75纳米的范围内，均能实现高效率衍射，保证了该光栅的波长兼容性。
进一步地，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅周期为960-990纳米。衍射级次越少，越有利于通过相位调控衍射效率的分布。当光栅周期略大于工作波长才能够保证仅有一阶衍射级次产生，即
进一步地，所述二维结构介质光栅层1的占宽比f为0.4-0.8，厚度为400-700纳米，侧壁倾角为70°-90°。对光刻胶曝光时，根据具体的曝光周期，通过调整曝光剂量和曝光时间，可对曝光宽度和深度进行调控，同时由于边缘效应和叠加效应，无法保证光栅图形的侧壁倾角为完全陡直状态，即90°。因此上诉占宽比、厚度、侧壁倾角为合理制作范围。
进一步地，所述金属层2的厚度为150-300纳米。根据材料的穿透深度，150-300纳米的厚度足够保证光无法穿过，能量不会由透射而丢失。
进一步地，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅周期为980纳米，中心波长为780纳米，中心波长入射方位角为0°。在上述说明中对光栅周期和中心波长选取进行了阐述。中心波长入射方位角为0°是常见的正入射情况，该情况下有利于器件与系统的集成。
进一步地，当工作中心波长入射角为正入射角，位于顶层的二维金属光栅结构1的占宽比为0.72，倾角为85°，厚度为530纳米，所述金属层2的厚度为200纳米。该条件下，衍射能量主要集中于(-1,0)阶和(1,0)阶衍射级次或，且两个级次的衍射能量均大于45％。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明公开的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，通过改变光栅层以及反射层的形貌、周期、厚度、材料实现对光栅的折射率调制和相位调制，在入射光场与光栅相互作用时，改变出射光的衍射效率分配、衍射方向和衍射级次数量。金属反射层的引入阻断了光的透射，最大程度的将光局限在光栅层中进行相互作用，提高衍射效率，最终可实现TE偏振模式的入射光中心波长为780nm以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(0,-1)阶和(0,1)阶衍射级次，且两个级次的衍射能量均大于45％；TM偏振模式的入射光中心波长为780nm以正入射条件入射时，衍射能量主要集中于(-1,0)阶和(1,0)阶衍射级次，且两个级次的衍射能量均大于45％。
(2)本发明利用二维光栅实现对光的正交偏振分解，衍射效率利用率高达90％，实现偏振分解的同时保证能量高效利用。该二维光栅仅由单层材料的构成，且形状为简单的圆柱或圆台周期性结构，并且制作容宽大，可利用常见的电子束曝光技术、全息曝光技术、镀膜工艺等工艺实现大规模制备。如通过全息曝光技术，只需要对光刻胶进行一次曝光后，改变曝光方向90°进行二次曝光，再进行显影操作，得到光栅初步形貌，再进行一次性镀膜即可。要求形貌侧壁倾角较为陡直的可在显影后引入刻蚀技术，再进行镀膜。综上，该光栅的形貌简单，运用常见的简易制作手段和较少的制作步骤即可制作成品，制作容宽大也保证了成品率。
(3)本发明公开的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器引入了如银(Ag)或金(Au)的金属材料，提供了高宽带的特性，通过对光场的优化计算，可实现在工作波长为755-830纳米范围内，如图4，TE偏振入射光正入射情况下，(0,-1)阶和(0,1)阶反射衍射级次的衍射效率均大于40％。如图5，TM偏振入射光正入射情况下，(0,-1)阶和(0,1)阶衍射级次的衍射效率均大于40％。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明公开的基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的单周期几何结构示意图；
图2是本发明公开的基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的单周期几何结构正面示意图；
图3是本发明中入射光正入射至基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的衍射效果示意图；
图4是本发明中TE偏振正入射条件下基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的入射波长和(0,-1)阶、(0,1)阶、(0,0)阶衍射效率关系图；
图5是本发明中TM偏振正入射条件下基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的入射波长和(-1,0)阶、(1,0)阶、(0,0)阶衍射效率关系图；
附图中：1-二维结构金属光栅层，2-反射金属层，3-基底层，Λ-光栅周期，f-光栅结构占宽比，Ψ-顶层倾斜圆台倾角，h1-二维结构光栅层厚度，h2-金属层厚度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种偏振相关单层金属介质二维光栅，该光栅自上而下包括：由材料为银(Ag)或金(Au)构成的二维结构介质光栅层、由材料为银(Ag)或金(Au)构成的金属层、由材料为Zerodur玻璃或SiO2材料或Si材料构成的基底层。顶层的二维结构介质光栅层为对称排列的圆柱体或圆台结构。
图1为本实施例中基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的单周期几何结构示意图。当光入射光栅时发生衍射，根据波长、光栅周期和入射角可以分为不同的衍射级次。由于二维光栅是一维光栅的扩展，故二维光栅的衍射方程可以表示为:
sinθm,n cosφm,n＝sinθcosφ+mλ/Λx
sinθm,n sinφm,n＝sinθsinφ+nλ/Λy
式中：φ，θ为入射光的方位角和极角，φm,n，θm,n为衍射光在(m,n)阶上的对应的方位角和极角。Λx，Λy分别表示在x方向和y方向的周期,λ表示激光工作波长。为了方面制作的同时满足光栅结构的对称性，设计时另Λx等于Λy。
当满足时，反射的衍射级次只有(1,0)、(-1,0)、(0,1)、(0,-1)、(0,0)五个衍射级，通过对光栅结构参数的调整，改变光波在光栅内的相位变化，进而对光进行调制。本实施例通过严格耦合波理论计算得出金属圆台/圆柱光栅在中心波长波段(755-830纳米)的各级次衍射效率；同时结合优化算法如采用模拟退火算法对目标数值进行优化，得到能够实现偏振正交分解的高效率衍射金属圆台/圆柱的二维光栅光栅结构。如图1所示为本实施例公开的基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的单周期几何结构示意图。如图2所示为本实施例公开的基于金属倾斜圆台二维光栅的正交偏振分束器的单周期几何结构正面示意图。
最终宏观效果如图3所示，TE/TM波入射时，TE的能量主要集中于(0,1)和(0,-1)阶衍射级次，TM的能量主要集中于(1,0)和(-1,0)阶衍射级次，实现了高效率的正交偏振分解和光学分束功能。
实施例2
表1和表2给出了本发明公开的一种正入射条件下基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器的一系列实施例，表1中工作波长λ＝750nm，表2中工作波长λ＝780nm，f为光栅结构占宽比，Ψ为顶层倾斜圆台倾角，h1为二维结构光栅层厚度，h2为金属层厚度。在制作本发明公开的用于正交偏振分束的金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的过程中，只需适当的选择光栅的周期Λ、二维光栅结构占空比f、顶层倾斜圆台倾角Ψ、二维结构光栅层厚度h1和金属层厚度h2就可以在一定的带宽内得到高效率衍射。
表1.工作波长为750nm时不同参数的斜双层光栅的衍射效率数值表
表2.工作波长为780nm时不同参数的斜双层光栅的衍射效率数值表
综上所述，本发明中二维光栅具有偏振相关、高衍射效率、结构简单、大制作容宽优点，是一种适用性非常广的理想衍射光学元件，不仅能对光能实施均匀分配，而且能实现偏振分束，尤其契合磁光数据存储、偏振成像系统、偏振检测和分析、光交换网络、激光干涉仪等领域对二维光栅的需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，该金属倾斜圆台或圆柱二维光栅是偏振相关高衍射效率单层金属介质圆台或圆柱二维阵列光栅，其特征在于，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅结构自上而下为二维结构介质光栅层(1)、金属层(2)和基底层(3)；位于顶层的二维结构介质光栅层(1)为规则等距排布的圆柱体或圆台结构；所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的工作中心波长为750-780纳米，入射角为正入射；所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅周期为980-990纳米；
所述二维结构介质光栅层(1)的占宽比f为0.472-0.796，厚度为530-557纳米，侧壁倾角为70°-90°，所述金属层(2)的厚度为150-300纳米。
2.根据权利要求1所述的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，其特征在于，所述二维结构介质光栅层(1)的材料为银或金。
3.根据权利要求1所述的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，其特征在于，所述金属层(2)的材料为银或金。
4.根据权利要求1所述的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，其特征在于，所述基底层(3)材料为Zerodur玻璃、SiO2材料或Si材料。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，其特征在于，所述金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的光栅周期为980纳米，中心波长为780纳米，中心波长入射方位角为0°。
6.根据权利要求5所述的基于金属倾斜圆台或圆柱二维光栅的正交偏振分束器，其特征在于，当工作中心波长入射角为正入射角，位于顶层的二维金属光栅结构(1)的占宽比为0.72，倾角为85°，厚度为530纳米，所述金属层(2)的厚度为200纳米。
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| CN109143436A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-01-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种偏振无关金属介质二维光栅 |
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2022
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