CN1177237C - 宽波段、高偏振度的金属线栅型红外偏振片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽波段、高偏振度金属线栅型红外偏振片。它是在传统的金属线栅型红外偏振片的衬底背面再布上一层金属线栅，即以衬底为中心，在衬底二面形成对称的等宽等间距的金属线栅。采用双层金属线栅结构的红外偏振片与传统偏振片不同的是，它可以同时得到高的偏振度和宽的工作波段。本发明还介绍了该偏振片的设计思路、具体的结构设计和制备方法，以及在此设计思想下所计算出的偏振片的光学性能等。

Description

宽波段、高偏振度的金属线栅型红外偏振片

技术领域

本发明涉及光学元件，具体是指一种宽波段、高偏振度金属线栅型红外偏振片。

背景技术

目前市场上已有的线栅型红外偏振片是通过在红外透光材料上构造一层金属线栅形成的。这种线栅型红外偏振片的缺点是无法同时具有高偏振度和宽波段，其性能见图1。从图中可知决定其偏振性能的两种偏振消光比谱仅在50～250cm^-1范围内很好，而在300cm^-1时已退化了10％，在600cm^-1时则退化到了50％，已经到了可使用的极限值。所以传统的用一层金属线栅形成的偏振片工作波段仅为600cm^-1，而高质量的偏振波段，即，消光比小于5％的波段，仅为200cm^-1。为此，任何一种可以大大拓宽红外偏振波段的偏振片都是很有应用价值的。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽波段、高偏振度金属线栅型红外偏振片。

本发明的宽波段、高偏振度金属线栅型红外偏振片是根据光子在周期性散射体中的传播理论，采用传输矩阵方法设计并提出的一种新的偏振片结构。传输矩阵方法是从迈克斯韦方程组出发，将电磁波在某层金属线栅中的传播振幅分量写成矩阵的形式：

$\mathrm{\Γ}(\stackrel{\→}{r}+\stackrel{\→}{c})=\underset{{\stackrel{\→}{r}}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\hat{T}(\stackrel{\→}{r},{\stackrel{\→}{r}}^{\′})\mathrm{\Γ}\left({\stackrel{\→}{r}}^{\′}\right)-----\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\Γ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\left[\begin{array}{c}{E}_x\left(\stackrel{\→}{r}\right)\\ E_y\left(\stackrel{\→}{r}\right)\\ H_x^{\′}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\\ H_y^{\′}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\end{array}\right]$

r和r′为同一层中的两个端点， ${\stackrel{\→}{H}}_{x,y}^{\′}=\frac{i}{{\mathrm{c\ω\ϵ}}_0}{\stackrel{\→}{H}}_{x,y},$ H_x，y和E_x，y分别为磁场和电场在x和y方向上的分量。

为传输矩阵，详细形式见参考文献N.Stefanouet al.，Computer Physics Communications 132，189(2000).当电磁波通过k层材料后总的透射波振幅分量可用单层传输矩阵的乘积表示：

$\mathrm{\Γ}(z+\mathrm{kd})=\underset{i=1,k}{\mathrm{\Π}}{\hat{T}}_i\mathrm{\Γ}\left(z\right)=\tilde{T}\mathrm{\Γ}\left(z\right)-------\left(2\right)$

$\tilde{T}=\underset{i=1,k}{\mathrm{\Π}}{T}_i=\left[\begin{array}{c}{\tilde{T}}^{++}{\tilde{T}}^{+-}\\ {\tilde{T}}^{-+}{\tilde{T}}^{--}\end{array}\right]$ 为传输矩阵，从透射矩阵

中就可获得最终的透射系数。计算表明，我们可以利用电磁波在两层线栅之间传播的特性，使两种偏振光，即TM偏振光和TE偏振光互不耦合、独立传播，各自具有不同的相互干涉结果。通过设计线栅结构，可以使得透射光成为全偏振的TM或TE偏振光。

基于上述设计思路，本发明的技术方案是：在传统的金属线栅型红外偏振片的衬底背面再布上一层金属线栅，即以衬底1为中心，在衬底二面形成对称的等宽等间距的金属线条2，如图2所示。金属线条周期为a，a为1-8μm，金属线条的宽度为W，金属线条的厚度为t，w与a的比值为0.5-0.7，t与a的比值为0.4-0.9。

本发明设计的偏振片的最大优点是：消除了传统的单层金属线栅型红外偏振片无法同时具有高偏振度和宽波段的矛盾。

附图说明

图1为目前市场上红外偏振片的消光比曲线图；

图2为本发明的偏振片结构示意图；

图3为本发明的偏振片的透射曲线图；

图4为本发明的偏振片的消光比曲线图；

图5为本发明的偏振片的偏振度曲线图。

具体实施方式

在红外透光衬底1上采用双面光刻技术在衬底两面形成宽度为w、周期为a的周期性条状图案，再在衬底材料两面上用常规镀膜方法镀上厚度为t的金属(如金等)，去掉光刻胶后就形成如图2所示的双层金属线栅结构。

偏振片结构参数为：周期a＝4.0μm、宽度w＝2.0±0.4μm和厚度t＝2.0μm，金属线栅的材料为金。当红外光正入射上述参数结构的偏振片时，计算得到TE和TM偏振光的透射曲线如图3所示。图中表明，在相当宽的25～2200cm^-1波段范围内，TE偏振的透射率都小于0.02，TE和TM偏振可以很好地分离开来，且TM偏振的透射率在25～1500cm^-1范围内均大于0.54，而目前国际市场上出售的远红外偏振片只能做到600cm^-1。

定义消光比为T_TE/T_TM(其中T_TM和T_TE分别是TM和TE偏振的透射率)；偏振度为|(T_TM-T_TE)/(T_TM+T_TE)|，当透射光中只有一种偏振时，偏振度为1，而当透射光中两种偏振的强度相等时，偏振度为0。图4为本发明所设计的红外偏振片的消光比曲线图，在25～2200cm^-1范围内的消光比都小于5％，与目前国际市场上出售的产品(图1)性能相比，其优质偏振波段(消光比小于5％的波段)要宽得多，是目前国际市场上出售产品(50～250cm^-1)的十倍，同时可用波段也是现有产品波段宽度的三倍。图5是本发明所设计红外偏振片的偏振度曲线图，在25～2250cm^-1范围内的偏振度均在82％以上，而在30～2200cm^-1范围内的偏振度大于95％。

以上数据表明本发明所提出的双层金属线栅结构的偏振片在很宽的波段范围内具有高的偏振度，克服了传统偏振片难以克服的困难。从几种不同金属线宽度w的消光比曲线图(图4)和偏振度曲线图(图5)中可知，其宽度在一定范围内(如2.0±0.4μm)波动时，偏振片的光学性能变化不大，可见本发明在实际操作中是容易实现的。

Claims (1)

1.一种宽波段高偏振度金属线栅型红外偏振片，包括衬底(1)，其特征在于：以衬底(1)为中心，在衬底二面形成对称的等宽等间距的金属线条(2)，金属线条周期为a，a为1-8μm，金属线条的宽度为w，金属线条厚度为t，W与a的比值为0.5-0.7，t与a的比值为0.4-0.9。

Images