CN114706231A - 全介质偏振分束片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全介质偏振分束片，包括：衬底；光栅层，形成在衬底的一侧，并包括通过对多层非金属的介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，适用于对入射光进行偏振分光，以反射入射光的TE波，并透射入射光的TM波；其中，每条线栅的多层介质层在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成，入射光的波长在多层介质层的滤光波长范围内。本发明还提供一种上述的全介质偏振分束片的制作方法。本发明提供的全介质偏振分束片，可以实现对入射光的偏振分束。
Description
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种偏振分束片，尤其涉及一种全介质偏振分束片及其制作方法。
背景技术
纳米光栅是在衬底材料上形成纳米尺度的周期性图案，纳米光栅作为一种重要的偏振器件，广泛的应用于光学产品中，如液晶显示，光通信等领域。常见的纳米光栅主要有介质光栅和金属光栅两种。金属光栅可以将入射光按不同偏振模式通过透射和反射分开，并且透射光偏振态消光比可达40dB以上，因此金属纳米光栅是一种性能优越的偏振片。但金属纳米光栅作为偏振片使用时有两个缺点，一是金属栅条具有导电性，不利于光电器件集成，不方便在偏振片上直接加电极引入电信号；二是金属栅条在使用中不稳定，容易被损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种全介质偏振分束片及其制作方法，以实现对入射光的偏振分束的功能，并克服金属光栅在使用过程中存在的缺陷。
本发明提供一种全介质偏振分束片，包括：衬底；光栅层，形成在衬底的一侧，包括通过对多层非金属的介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，适用于对入射光进行偏振分光，以反射入射光的TE波，并透射入射光的TM波；其中，每条线栅的多层介质层在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成，入射光的波长在多层介质层的滤光波长范围内。
根据本发明的实施例，光栅层的线栅的周期∧远小于入射光的波长。
根据本发明的实施例，多层介质层堆叠的周期数介于2至20之间。
本发明还提供一种上述的全介质偏振分束片的制作方法，包括：在衬底上沉积多层介质层；在多层介质层上沉积掩膜层；在掩膜层上旋涂压印胶层；将压印模板覆盖在压印胶层上，将压印模板的光栅图形转移到压印胶层上，并去除压印模板；利用氧气灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层；利用反应等离子刻蚀法刻蚀多层介质层，制作得到全介质的光栅层。
根据本发明的实施例，在真空条件下利用化学气相沉积法在衬底上沉积多层介质层；其中，多层介质层在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成。
根据本发明的实施例，在衬底上形成包括2种或3种按照高、低折射率交替形式周期性堆叠的介质材料的多层介质层。
根据本发明的实施例，利用等离子体化学气相沉积法在多层介质层上沉积掩膜层，掩膜层为非晶碳薄膜，厚度为50～100nm。
根据本发明的实施例，利用氧气灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层包括：利用氧气灰化处理和湿法腐蚀液去除未被压印胶覆盖的掩膜层，保留被压印胶覆盖的掩膜层。
根据本发明的实施例，利用反应等离子刻蚀法刻蚀多层介质层包括：去除未被掩膜层覆盖的多层介质层，保留被掩膜层覆盖的多层介质层。
根据本发明的实施例，刻蚀多层介质层完成后，去除掩膜层；去除掩膜层包括利用等离子体灰化处理法去除非晶碳薄膜。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，采用高、低折射率交替形式周期性堆叠的多层介质层，利用纳米压印方法制作出全介质的光栅层，实现对满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光的偏振分束的功能。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，不含有金属栅条，在使用中不易损坏，而且方便在偏振片表面再加工电极。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的立体示意图；
图2为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的剖视图；
图3为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的制作方法的流程图；以及
图4(1)～4(8)为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的制作过程示意图。
【附图标记说明】
1-衬底；
2-多层介质层；
21-第一介质层；
22-第二介质层；
23-第三介质层；
3-掩膜层；
4-压印胶层；
5-压印模板；
n1-第一介质层的折射率；
n2-第二介质层的折射率；
n3-第三介质层的折射率；
d1-第一介质层的厚度；
d2-第二介质层的厚度；
d3-第三介质层的厚度；
T-线栅的宽度；
∧-线栅的周期。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
多层薄膜滤光技术是利用高低折射率的材料周期性交替堆叠，形成的干涉滤波，从而实现对特定波长的光反射。将多层介质膜制备成纳米光栅结构时，对于满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光，也可以实现与金属光栅相同的偏振分束的功能。
有鉴于此，本发明利用纳米压印方法和多层膜干涉技术制作出一种全介质偏振分束片，以实现对入射光的偏振分束的功能，并克服金属光栅在使用过程中存在的缺陷。
图1为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的立体示意图；图2为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的剖视图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种全介质偏振分束片，参考图1～2所示，包括：衬底1；光栅层，形成在衬底1的一侧，并包括通过对多层非金属的介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，适用于对入射光进行偏振分光，以反射入射光的TE波，并透射入射光的TM波。其中，每条线栅的多层介质层2在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成，入射光的波长在多层介质层2的滤光波长范围内。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，采用高、低折射率交替形式周期性堆叠的多层介质层，利用纳米压印方法制作出全介质光栅，实现对满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光的偏振分束的功能；进一步地，所述全介质偏振分束片不含有金属栅条，在使用中不易损坏。
根据本发明的实施例，光栅层的线栅的周期∧远小于入射光的波长，例如，光栅层的线栅的周期∧不大于入射光的波长的1/8，例如可以为1/8、1/10。
根据本发明的实施例，满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光透过光栅层，入射光的TE波与TM波产生相位差，以使入射光的TE波被反射，入射光的TM波被透射，实现对满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光的偏振分束的功能。
需要说明的是，多层介质层2的折射率、厚度、堆叠的周期可根据实际滤光波长范围和满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光的TE波与TM波的相位差的要求进行调整。
图3为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的制作方法的流程图。
图4(1)～4(8)为根据本发明的实施例的全介质偏振分束片的制作过程示意图。
根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种全介质偏振分束片的制作方法，参考图3所示，包括步骤S01～S06。
在步骤S01，在衬底1上沉积多层介质层2。
根据本发明的实施例，衬底1为可见光透过率高的材料，例如，可以为石英玻璃，在400～700nm波段的透过率超过90％。在衬底1上沉积多层介质层2之前，对衬底1表面进行超声清洗，以去除衬底1表面的杂质。
根据本发明的实施例，在真空条件下利用化学气相沉积法在衬底1上沉积多层介质层2；其中，多层介质层2包括多层按照高、低折射率交替形式周期性堆叠的介质层，多层介质层2堆叠的周期数介于2至20之间。
根据本发明的实施例，多层介质层2可以为3层，参考图4(1)所示，在衬底1上形成周期性堆叠的第一介质层21、第二介质层22、第三介质层23，堆叠的周期数介于2～20之间。
根据本发明的实施例，第一介质层21的折射率为n1，厚度为d1；第二介质层22的折射率为n2，厚度为d2；第三介质层23的折射率为n3，厚度为d3，其中，第二介质层22的折射率n2高于第一介质层21的折射率和第三介质层23的折射率n3，且第一介质层21的折射率n1与第三介质层23的折射率n3不相同。
根据本发明的实施例，第一介质层21的折射率n1、厚度d1，第二介质层22的折射率n2、厚度d2，和第三介质层23的折射率n3、厚度d3与多层介质层2的反射波长范围的中心波长λ0满足如下关系：
其中，多层介质层2在反射波长范围内形成强反射带，而透射其他波长范围内的光，从而，多层介质层2可以用于选择性透过预定波长范围的光。
在步骤S02，在多层介质层2上沉积掩膜层3。
根据本发明的实施例，参考图4(2)所示，利用等离子体化学气相沉积法在多层介质层2上沉积掩膜层3。掩膜层3为非晶碳薄膜，厚度为50～100nm。
在步骤S03，在掩膜层3上旋涂压印胶层4。
根据本发明的实施例，参考图4(3)所示，在掩膜层3上旋涂压印胶层4，压印胶层4的厚度为200～250nm，例如可以为200nm。
在步骤S04，将压印模板5覆盖在压印胶层4上，压印模板5的光栅图形转移到压印胶层4上，并去除压印模板5。
根据本发明的实施例，参考图4(4)所示，将压印模板5覆盖在印胶层4上，通过加压与紫外固化，将压印模板5上的光栅图形转移到压印胶4上，去除压印模板5，并去除压印胶层4的沟槽内的残胶。
在步骤S05，利用氧气灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层3。
根据本发明的实施例，参考图4(5)～4(6)所示，以压印胶层4为掩膜，利用氧气灰化处理和湿法腐蚀液刻蚀掩膜层3，去除未被压印胶层4覆盖的掩膜层，保留被压印胶层4覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层4。
在步骤S06，利用反应等离子刻蚀法刻蚀多层介质层2，制作得到全介质的光栅层。
根据本发明的实施例，参考图4(7)所示，利用刻蚀后的掩膜层3为掩膜，刻蚀多层介质层2，去除未被掩膜层3覆盖的多层介质层，保留被掩膜层3覆盖的多层介质层，制作得到全介质的光栅层，参考图4(8)所示。
根据本发明的实施例，刻蚀多层介质层2完成后，去除掩膜层3；去除掩膜层3包括利用等离子体灰化处理法去除非晶碳薄膜。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，采用高、低折射率交替形式周期性堆叠的多层介质层，利用纳米压印方法制作出全介质的光栅层，实现对满足多层介质膜的滤光波长范围的入射光的偏振分束的功能。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，不含有金属栅条，在使用中不易损坏。
根据本发明上述的实施例提供的全介质偏振分束片，在用于光电器件集成时，方便电信号的引入，并且不会对电信号产生干扰。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全介质偏振分束片，其特征在于，包括：
衬底(1)；
光栅层，形成在所述衬底(1)的一侧，并包括通过对多层非金属的介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，适用于对入射光进行偏振分光，以反射所述入射光的TE波，并透射所述入射光的TM波；
其中，每条所述线栅的多层介质层(2)在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成，所述入射光的波长在所述多层介质层(2)的滤光波长范围内。
2.根据权利要求1所述的全介质偏振分束片，其特征在于，所述光栅层的线栅的周期∧远小于所述入射光的波长。
3.根据权利要求1所述的全介质偏振分束片，其特征在于，所述多层介质层(2)堆叠的周期数介于2至20之间。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述的全介质偏振分束片的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底(1)上沉积多层介质层(2)；
在所述多层介质层(2)上沉积掩膜层(3)；
在所述掩膜层(3)上旋涂压印胶层(4)；
将压印模板(5)覆盖在所述压印胶层(4)上，将所述压印模板(5)的光栅图形转移到所述压印胶层(4)上，并去除所述压印模板(5)；
利用氧气灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀所述掩膜层(3)；
利用反应等离子刻蚀法刻蚀所述多层介质层(2)，制作得到全介质的光栅层。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在真空条件下利用化学气相沉积法在衬底(1)上沉积所述多层介质层(2)；
其中，所述多层介质层(2)在厚度方向按照高、低折射率交替形式周期性堆叠形成。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底(1)上形成包括2种或3种按照高、低折射率交替形式周期性堆叠的介质材料的多层介质层(2)。
7.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，利用等离子体化学气相沉积法在所述多层介质层(2)上沉积所述掩膜层(3)；
所述掩膜层(3)为非晶碳薄膜，厚度为50～100nm。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，利用氧气灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀所述掩膜层(3)包括：
利用氧气灰化处理和湿法腐蚀液去除未被压印胶覆盖的掩膜层，保留被压印胶覆盖的掩膜层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，利用反应等离子刻蚀法刻蚀所述多层介质层(2)包括：
去除未被掩膜层覆盖的多层介质层，保留被掩膜层覆盖的多层介质层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，刻蚀所述多层介质层(2)完成后，去除所述掩膜层(3)；
所述去除所述掩膜层(3)包括利用等离子体灰化处理法去除所述非晶碳薄膜。
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