CN116719114A - 一种基于纳米压印的线栅圆偏振片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，涉及纳米压印、线栅偏振片技术领域，包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；所述反射层的纳米线栅的光栅周期∧1远小于该纳米线栅的工作波长；所述旋光层的纳米线栅的光栅周期∧2远小于该纳米线栅的工作波长；所述反射层对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模；所述旋光层的纳米线栅方向与所述反射层的纳米线栅方向存在夹角θ。本发明通过将两片纳米线栅集成在同一衬底上，实现“起偏器—1/4玻片”结构的小型化同时，本发明提供的圆偏振片对入射光的偏振态没有要求。
Description
技术领域
本发明涉及纳米压印、线栅偏振片技术领域，具体涉及一种基于纳米压印的线栅圆偏振片。
背景技术
纳米线栅是在衬底材料上形成纳米尺度的周期性图案，纳米线栅作为光学元件在远红外和无线电波区域使辐射发生色散和探测偏振已有长远的历史。当纳米线栅的光栅周期远小于入射光波长时，线栅使得电矢量垂直于栅线的偏振光透过，电矢量平行于栅线的偏振光反射。纳米线栅作为一种重要的偏振器件被广泛的应用与光学产品中，如液晶显示、光通信等领域。常见的纳米线栅可以分为介质线栅和金属线栅两种。纳米线栅可以将入射光按不同偏振模式通过透射和反射分开，金属线栅的透射光消光比甚至可达40dB以上，因此纳米线栅是一种性能优越的偏振片。
基于纳米压印技术的纳米线栅已经引起了广泛的关注，然而这些工作往往将线栅的制作工艺、透射性质等作为研究重点进行展开。伴随着全息术、偏振编码、偏振复用等研究的深入，圆偏振光、椭圆偏振光逐渐得到比线偏振光更广泛的应用和关注。目前，圆偏振光、椭圆偏振光的产生常常依赖于分立器件“起偏器—1/4玻片”的结构组合，有些工作从激光器本身的性质着手，严格要求光源本身具有特定的偏振态，以达到在光路中去除起偏器的目的。这些工作模式使得以圆偏振光、椭圆偏振光为基础的通信、传感器件在小型化、集成化的进展、低成本化上举步维艰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，解决背景技术存在的问题，以实现入射光偏振由任意偏振态到圆偏振态的起偏。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；
所述反射层对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模；
所述的反射层为纳米线栅，所述反射层的纳米线栅的光栅周期∧1远小于该纳米线栅的工作波长时，纳米线栅会对入射光起到偏振分光的作用，其中TM模会透过线栅向旋光层传播，TE模会在反射层发生反射，由此完成产生一束线偏光的目的；
所述的旋光层也为纳米光栅，所述旋光层的纳米线栅的光栅周期∧2远小于该纳米线栅的工作波长，旋光层的纳米线栅方向与反射层的线栅方向存在夹角θ，透射的TM模在此界面上可以根据旋光层的线栅方向分成两个正交矢量，其中，与旋光层的线栅方向平行的矢量会受线栅介质的影响而产生相移，与旋光层线栅方向正交的矢量则不受线栅影响。通过这种方式，就可以实现对TM模偏振态的改变。特别的，当θ＝±45°时，TM模将转变为圆偏振光。
进一步改进在于，所述旋光层的折射率为n3，厚度为d3，所述旋光层的折射率和厚度应满足如下数学关系：其中λ0为所述线栅圆偏振片的中心波长。
进一步改进在于，所述反射层的纳米线栅为金属线栅，所述旋光层的纳米线栅为非金属介质的线栅。
进一步改进在于，所述反射层和所述旋光层的纳米线栅均为非金属介质的线栅。
进一步改进在于，所述反射层为单层纳米线栅。
进一步改进在于，所述反射层为多层堆叠的纳米线栅，其中多层堆叠的周期数N在2到20之间。
进一步改进在于，所述反射层的折射率n与厚度d从上到下依次为(n11,d11)、(n12,d12)、(n13,d13)、……(n1N,d1N)，所述滤光层与偏振片的中心波长应满足的关系如下：
进一步改进在于，金属线栅的制备方法包括以下步骤：
(1)对金属薄膜进行压印处理，将压印模板的图案转移到金属薄膜上以形成金属线栅结构；
(2)将金属薄膜覆盖到衬底上，使得金属薄膜与衬底结合在一起，然后剥离压印模板，并对金属线栅进行刻蚀，将位于相邻线栅之间的金属薄膜除去，露出衬底，完成。
进一步改进在于，非金属介质的线栅的制备方法包括以下步骤：
(1)在衬底反面依次沉积非金属介质层、掩膜层，掩膜层为非晶碳薄膜，在掩膜层上旋涂压印胶层，随后将压印模板覆盖在压印胶层上；
(2)通过加压和紫外固化，将压印模板的光栅图案转印到压印胶层上，随后除去压印模板和压印胶层沟槽内的残胶，压印完成后，与压印胶层为掩膜，利用氧化灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层，除去未被压印胶层覆盖的掩膜层，保留被压印胶覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层，光栅图案转移到掩膜层上；
(3)利用刻蚀后的掩膜层为掩膜，刻蚀非金属介质层，将未被掩膜层覆盖的非金属介质层除去，保留被掩膜层覆盖的非金属介质层，最后利用等离子体灰化处理法除去掩膜层，即获得非金属介质的线栅。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于纳米压印的圆偏振片。通过将两片纳米线栅集成在同一衬底上，实现“起偏器—1/4玻片”结构的小型化同时，本发明提供的圆偏振片对入射光的偏振态没有要求。
附图说明
图1为实施例一的金属线栅圆偏振片的立体示意图一；
图2为实施例一的金属线栅圆偏振片的立体示意图二；
图3为实施例一的金属线栅圆偏振片的正面示意图；
图4为实施例一的金属线栅圆偏振片的制作过程示意图；
图5为实施例一的金属线栅圆偏振片的一种制作方法流程图；
图6为实施例二的介质线栅圆偏振片的立体示意图一；
图7为实施例二的介质线栅圆偏振片的立体示意图二；
图8为实施例二的介质线栅圆偏振片的正面示意图；
图9为实施例二的介质线栅圆偏振片的制作过程示意图；
图10为实施例二的介质线栅圆偏振片的一种制作方法流程图；
图11为根据本发明的实施例的不同旋向圆偏光的发生原理图；
【附图标记说明】
∧1–反射层的光栅周期；
∧2–旋光层的光栅周期；
θ–反射层线栅方向与旋光层线栅方向的夹角；
n1N–反射层第N层的折射率；
d1N–反射层第N层的厚度；
n2–旋光层的折射率；
d3–旋光层的厚度；
λ0–纳米线栅圆偏振片的中心波长；
1–反射层；
11–实施例二所述的反射层第1层；
12–实施例二所述的反射层第2层；
13–实施例二所述的反射层第3层；
2–衬底；
3–旋光层；
4–掩膜层；
5–压印胶层；
6–压印模板层；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步地说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例一：金属线栅圆偏振片
如附图1-2所示，金属线栅作为反射层1形成在衬底2的一侧，金属线栅的光栅周期远小于该线栅的工作波长。金属线栅对波长并不敏感，因此可以工作在380nm至780nm的可见光波段。本实施例选取可见光波段作为本发明的工作波段，金属线栅的光栅周期可以为100nm。
所述旋光层的折射率为n3，厚度为d3，所述旋光层的折射率和厚度应满足如下数学关系：其中λ0为纳米线栅圆偏振片的中心波长的中心波长。
如附图3所示，介质层作为旋光层3形成在衬底2的另一侧，介质线栅的光栅周期远小于该光栅的工作波长。通过对多层非金属介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，目的在于将透射出的TM模经过旋光层3的相移，转变为圆偏振光。
旋光层3的折射率为n3，厚度为d3。旋光层3的折射率和厚度应满足如下数学关系其中λ0为纳米线栅圆偏振片的中心波长，为了满足旋光的要求，反射层1的线栅方向与旋光层3的线栅方向存在一个夹角θ，这个夹角θ可根据对出射光的偏振需求进行定制，在本实施例中，工作波长范围为380nm至780nm，此时选取580nm作为旋光层3的中心波长，那么580nm组分为圆偏振光，其余为偏振度较低的椭圆偏振光。
下面展示左旋圆偏光和右旋圆偏光的实施案例：
如附图11(a)所示，经反射层1透射的线偏光可以分解成两个等幅正交的电矢量E1和E2，当反射层和旋光层的夹角为θ＝-45°时，电矢量E1不受影响，电矢量E2得到的相位延时，经旋光层3产生了右旋圆偏光。
如附图11(b)所示，经反射层1透射的线偏光可以分解成两个等幅正交的电矢量E1和E2，当滤光层和旋光层的夹角为θ＝45°时，电矢量E2不受影响，电矢量E1得到的相位延时，经旋光层3产生了左旋圆偏光。
如附图4-5所示，所述的金属线栅圆偏振片加工方法如下：
如S1所示，先对金属薄膜进行压印处理，将压印模板的图案转移到金属薄膜上以形成所述的金属线栅结构。将金属薄膜覆盖到衬底上，使得金属薄膜与衬底结合在一起。然后剥离压印模板，并对金属线栅进行刻蚀，将位于相邻线栅之间的金属薄膜除去(S2)，露出衬底，结果如S3所示。
然后在步骤S4中，在衬底反面依次沉积介质层、掩膜层，掩膜层为非晶碳薄膜，在掩膜层上旋涂压印胶层，随后将压印模板覆盖在压印胶层上。通过加压和紫外固化，将压印模板的光栅图案转印到压印胶层上，随后除去压印模板和压印胶层沟槽内的残胶，此过程要求反射层和旋光层的压印薄板之间存在满足圆偏光输出的夹角θ，压印完成后，与压印胶层为掩膜，利用氧化灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层4，除去未被压印胶层5覆盖的掩膜层，保留被压印胶5覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层5，光栅图案转移到掩膜层4上。
根据步骤S7，利用刻蚀后的掩膜层4为掩膜，刻蚀介质层，将未被掩膜层4覆盖的介质层除去，保留被掩膜层覆盖4的介质层，最后如S8所示出去掩膜层4，包括利用等离子体灰化处理法去除非晶碳薄膜，即可得到所述的圆偏振片。
实施例二：
如图6-7所示：反射层1形成在衬底2的一侧，线栅的光栅周期∧1远小于该线栅的工作波长。通过对多层非金属介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，其中多层介质堆叠的周期数在2到20之间。所述的反射层1对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模。其中每条线栅的多层介质层在厚度方向上按照高、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波长考虑范围内。
如图8所示：旋光层3形成在衬底2的另一侧，线栅的光栅周期∧2远小于该光栅的工作波长。通过对多层非金属介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，目的在于将透射出的TM模经过(3)光栅层的相移，转变为圆偏振光。
所述的反射层1的折射率与厚度从上到下依次为(n11,d11)、(n12,d12)、(n13,d13)。所述的(1)滤光层与偏振片的中心波长应满足的关系如下：如此关系所示，所述的纳米线栅圆偏振片还能选择性透过预定波长范围的光。
所述的旋光层3的折射率与厚度为(n3,d3)，该折射率与中心波长满足的关系如下：为了满足旋光的要求，反射层1的线栅方向与旋光层3的线栅方向存在一个夹角θ，这个夹角θ可根据对出射光的偏振需求进行定制，下面展示左旋圆偏光和右旋圆偏光的实施案例：
如图11(a)所示，经(1)纳米光栅滤光层透射的线偏光可以分解成两个等大正交的电矢量E1和E2，当滤光层和旋光层的夹角为θ＝-45°时，电矢量E1不受影响，电矢量E2得到的相位延时，经旋光层3产生了右旋圆偏光。
如图11(b)所示，经(1)纳米光栅滤光层透射的线偏光可以分解成两个等大正交的电矢量E1和E2，当滤光层和旋光层的夹角为θ＝45°时，电矢量E2不受影响，电矢量E1得到的相位延时，经旋光层3产生了左旋圆偏光。
如图9-10所示，提供的介质线栅圆偏振片加工方式如下：
如S1所示，在衬底上沉积依次相应的介质层13、介质层12、介质层11和介质层3,随后在介质层表面覆盖掩膜层4(如S2所示)，所述的掩膜层4是非晶碳薄膜，厚度为50nm到100nm。在覆盖掩膜层4之后，如S3所示在掩膜层4上旋涂压印胶层5，此过程中，用于滤光层和旋光层的掩膜层4和压印胶层5没有区别，随后将压印模板6覆盖在压印胶层5上，如S4、S5所示，通过加压和紫外固化，将压印模板6上的光栅图形转印到压印胶层5上，并去除压印模板6与压印胶层5的沟槽内的残胶。在此过程中要求用滤光层和旋光层的压印模板之间存在满足圆偏光输出的夹角θ。压印完成后，在步骤S6中，以压印胶层5为掩膜，利用氧化灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层4，除去未被压印胶层5覆盖的掩膜层，保留被压印胶5覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层5，光栅图案转移到掩膜层4上。根据步骤S7，利用刻蚀后的掩膜层4为掩膜，刻蚀介质层，将未被掩膜层4覆盖的介质层除去，保留被掩膜层覆盖4的介质层，最后如S8所示出去掩膜层4，包括利用等离子体灰化处理法去除非晶碳薄膜，即可得到所述的圆偏振片。
实施例三
实施例三是对实施例二的一种单层模使用的说明。
反射层1形成在衬底2的一侧，线栅的光栅周期∧1远小于该线栅的工作波长。通过对多层非金属介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅。所述的反射层1对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模。
旋光层3形成在衬底2的另一侧，线栅的光栅周期∧2远小于该光栅的工作波长。通过对多层非金属介质层采用纳米压印工艺形成的多条相互平行的线栅，目的在于将透射出的TM模经过旋光层3的光栅层的相移，转变为圆偏振光。
反射层1为单层介质膜，单层介质膜的折射率和厚度为(n13,d13)，在反射层为单层膜时，圆偏振片的工作波长时宽谱的，中心波长满足因此可以工作在380nm至780nm的可见光波段。本实施例选取可见光波段作为本发明的工作波段，金属线栅的光栅周期可以为100nm。
旋光层3的折射率与厚度为(n3,d3)，该折射率与中心波长满足的关系如下：为了满足旋光的要求，反射层1的线栅方向与旋光层3的线栅方向存在一个夹角θ，这个夹角θ可根据对出射光的偏振需求进行定制。在本实施例中，工作波长范围为380nm至780nm，此时选取580nm作为旋光层3的中心波长，那么580nm组分为圆偏振光，其余为偏振度较低的椭圆偏振光。
单层介质模圆偏光偏振片的加工与实施例二中相似，区别在于，只需在反射模附近沉积一层介质模即可。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；
所述反射层的纳米线栅的光栅周期∧1远小于该纳米线栅的工作波长；
所述旋光层的纳米线栅的光栅周期∧2远小于该纳米线栅的工作波长；
所述反射层对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模；
所述旋光层的纳米线栅方向与所述反射层的纳米线栅方向存在夹角θ，透射的TM模在此界面上根据旋光层的线栅方向分成两个正交矢量，其中，与所述旋光层的纳米线栅方向平行的矢量会受线栅介质的影响而产生相移，与所述旋光层的纳米线栅方向正交的矢量则不受线栅影响，以此实现对TM模偏振态的改变，当θ＝±45°时，TM模将转变为圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述旋光层的折射率为n3，厚度为d3，所述旋光层的折射率和厚度应满足如下数学关系：其中λ0为所述线栅圆偏振片的中心波长。
3.根据权利要求2所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层的纳米线栅为金属线栅，所述旋光层的纳米线栅为非金属介质的线栅。
4.根据权利要求2所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层和所述旋光层的纳米线栅均为非金属介质的线栅。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层为单层纳米线栅。
6.根据权利要求4所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层为多层堆叠的纳米线栅，其中多层堆叠的周期数N在2到20之间。
7.根据权利要求6所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层的折射率n与厚度d从上到下依次为(n11,d11)、(n12,d12)、(n13,d13)、……(n1N,d1N)，所述滤光层与偏振片的中心波长应满足的关系如下：
8.根据权利要求3-7任一项所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：金属线栅的制备方法包括以下步骤：
(1)对金属薄膜进行压印处理，将压印模板的图案转移到金属薄膜上以形成金属线栅结构；
(2)将金属薄膜覆盖到衬底上，使得金属薄膜与衬底结合在一起，然后剥离压印模板，并对金属线栅进行刻蚀，将位于相邻线栅之间的金属薄膜除去，露出衬底，完成。
9.根据权利要求8所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：非金属介质的线栅的制备方法包括以下步骤：
(1)在衬底反面依次沉积非金属介质层、掩膜层，掩膜层为非晶碳薄膜，在掩膜层上旋涂压印胶层，随后将压印模板覆盖在压印胶层上；
(2)通过加压和紫外固化，将压印模板的光栅图案转印到压印胶层上，随后除去压印模板和压印胶层沟槽内的残胶，压印完成后，与压印胶层为掩膜，利用氧化灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层，除去未被压印胶层覆盖的掩膜层，保留被压印胶覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层，光栅图案转移到掩膜层上；
(3)利用刻蚀后的掩膜层为掩膜，刻蚀非金属介质层，将未被掩膜层覆盖的非金属介质层除去，保留被掩膜层覆盖的非金属介质层，最后利用等离子体灰化处理法除去掩膜层，即获得非金属介质的线栅。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310588773.5A CN116719114A (zh) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | 一种基于纳米压印的线栅圆偏振片 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310588773.5A CN116719114A (zh) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | 一种基于纳米压印的线栅圆偏振片 |
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|---|---|
| CN116719114A true CN116719114A (zh) | 2023-09-08 |
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ID=87863944
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| CN202310588773.5A Pending CN116719114A (zh) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | 一种基于纳米压印的线栅圆偏振片 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117452546A (zh) * | 2023-11-14 | 2024-01-26 | 曲阜师范大学 | 一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片 |
-
2023
- 2023-05-19 CN CN202310588773.5A patent/CN116719114A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117452546A (zh) * | 2023-11-14 | 2024-01-26 | 曲阜师范大学 | 一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片 |
| CN117452546B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-05-03 | 曲阜师范大学 | 一种基于色散补偿机理的双层光栅宽带太赫兹偏振波片 |
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