CN1383002A

CN1383002A - 可见光波段高偏振度偏振光束分离器

Info

Publication number: CN1383002A
Application number: CN 02111812
Authority: CN
Inventors: 陆卫; 周梅; 陈效双; 李志锋; 李宁; 王少伟
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2002-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: CN1159602C

Abstract

本发明公开了一种采用金属光子晶体结构的可见光波段高偏振度偏振光束分离器。包括:在衬底上构成二维阵列结构的介质棒,所说的二维阵列结构可以是正方格子或六角格子等,所说的介质棒是由金属材料构成的,介质棒之间嵌有SiO₂。本发明提供的偏振器结构不同于传统的偏振器,它可以通过只改变金属棒的半径和晶格常数R/a的比,预先设计工作波段,并且可以得到高的偏振度和透射率。

Description

可见光波段高偏振度偏振光束分离器

技术领域

本发明涉及偏振器，具体是指一种采用金属光子晶体结构的可见光波段高偏振度偏振光束分离器。

背景技术

偏振光束分离器是一种在45°角入射条件下的偏振器，传统的偏振器一般有以下三种：

1.双折射偏振器

最典型的如尼科尔棱镜是根据双折射原理制成的。当光束从空气入射到透明、各向异性单轴或双轴晶体的表平面时，光会在体型晶体中形成二个折射光束即o光和e光，这两束光在空间上是相互分离的，所以可获得沿不同方向出射的两种偏振光。它们的缺点是如果光入射在棱镜端面上的入射角处在“合格的”接收角范围内，则寻常光o光分量内全反射条件保持有效，反之则无效。因此它们对入射角有一定的限制范围限制此种棱镜的应用范围。

2.二向色性偏振器

如电气石就是典型的具有二向色性的晶体。其原理是在某些吸收介质中，线偏振光经受的衰减与线偏振的方向有关，当电场振动方向沿着所谓二向色性主轴的二个正交方向时，吸收变为极大或极小，也就是对不同偏振方向的光有选择地吸收，光在透过用这种介质做成的偏振器后，会使某一偏振方向的光吸收较多，而另一偏振方向的光有较多透过，从而得到偏振光。缺点是这种材料得到的偏振度不太高，透光率也比较低。

3.反射偏振器

这种偏振器的原理是利用两种介质分界界面上布儒斯特角的反射特性得到偏振光。目前这种偏振器是能够做成红外波段偏振器之一。但是这种方法的主要缺点在于：入射角必须是布儒斯特角，而且布儒斯特角对不同的波长是不同的。因此，严格说来，只有对一种波长的光效果才好，如果偏离布儒斯特角，偏振度就比较差。

总上所述，传统的偏振器有工作频段窄、难以同时得到高的偏振度和透射率、对材料的依赖性强等缺陷，特别是，利用传统的原理很难得到性能优良的宽波段高偏振度的偏振光束分离器。

发明内容

本发明是基于光子晶体理论，提出了一种全新的偏振器结构。该偏振器结构消除了传统的棱镜偏振片无法同时具有高的偏振度和透射率的矛盾，而且还可以通过改变晶格常数或者其他的参数来得到我们所想要的工作波段，即具有可以预先设计工作频段的优点。

本发明的技术方案是：在衬底1上构成二维阵列结构的介质棒2，介质棒之间嵌有SiO₂3，结构如图1、图2所示。所说的二维阵列结构可以是正方格子或六角格子等。所说的介质棒是由金属材料构成的，介质棒的半径R和介质棒的周期性即晶格常数a的比值为0.15和0.25之间，介质棒的长度为10纳米-500纳米，且为了使偏振光束分离器工作于可见光波段，取a＝0.127μm。

当一束自然光在上述结构的二维光子晶体中传播时，由于二维光子晶体在垂直于二维平面方向上的对称破缺，在晶体中两种偏振光即s波和p波互不耦合，独立传播，各自具有不同的能带结构。通过适当选取晶体结构和介电材料，可以使得s波和p波的带隙完全错开，此时，当入射的自然光的频率落在s波的带隙中时，s波不能在晶体中传播，将被全反射，于是，透射光将是全偏振的p波，反之亦然，这是一种完全不同于传统的全新起偏设计。

采用光子晶体概念设计偏振器的优点是：可以预先设计工作波段。原因是光子晶体具有“标度不变性”，如果只改变晶格常数，而维持其他各项参数不变，则光子晶体的能带结构的总体形状不发生改变，只是频率发生改变而已。对于介电常数随着频率变化而变化的金属而言，我们通过只改变金属棒的半径和晶格常数R/a的比，其他的参数不变，也可以达到以上的目的。

附图说明

图1为本发明的偏振光束分离器的二维阵列结构示意图；

图2为本发明的偏振光束分离器的剖面结构示意图；

图3为本发明的偏振光束分离器的S光的计算透过曲线；

图4为本发明的偏振光束分离器的P光的计算透过曲线；

图5为上海光机所制备的偏振光束分离器的S光的透过曲线；

图6为上海光机所制备的偏振光束分离器的P光的透过曲线；

图7为本发明的偏振光束分离器的偏振度；

图8为本发明的偏振光束分离器的消光比。

具体实施方式

本发明设计的金属光子晶体偏振光束分离器的具体制备如下：

在透可见光衬底如宝石材料上采用电子束刻蚀方法形成如图1所示的二维阵列槽，再在阵列槽上用常规镀膜方法镀上一层金属层，用光刻胶作剥离后便只剩下槽中的金属层，再用镀膜方法形成一层SiO₂膜层(此材料折射率较小)，然后再用电子束刻蚀方法形成槽，再形成槽中的金属层，如此交替多次便可形成如图2所示的金属棒之间嵌有SiO₂的二维阵列，金属棒的半径和晶格常数之比R/a＝0.219±0.01，其中晶格常数a＝0.127μm。

在本发明中我们把均匀介质取为SiO₂，并近似地取其介电常数ε_b为1，而金属的介电常数ε_a是随着光频的变化而变化的，其表达形式为：

ε_a＝ε₁+iε₂＝1-f² _p/f(f+iγ)其中f_p为等离子体频率，γ是弛豫因子，两者都是常数，对于典型的金属，通常有f_p＝3600THz，γ＝340THz。当光束以45°角入射时，此种结构的s和p波的计算透过曲线如图3、图4所示。在市场急需可见光偏振光束分离器的特征波段范围420-680纳米内，s波的透过几乎等于零，而p波的透过几乎是1，也就是说s波正处在禁带隙中，p波处在通带隙中。说明了在此波段内s波是被禁止传播的，同时p波是可以传播的。从图4中可知在我们所要求的波长范围内其透射率达到了93％以上。与最近上海光机所制备的光学薄膜结构的偏振光束分离器相比，见图5、图6，本发明设计的偏振光束分离器的光学性能要优于前者。定义偏振度为|T_p-T_S/T_p+T_S|，其中T_S和T_p分别是s和p波的透射率；即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强度相等时，偏振度为0。消光比为：T_S/T_p。图7为偏振度的计算曲线图，在所研究的波段中偏振度均在96％以上。图8为计算的消光比图，可以看到在此波段中我们所设计的结构在420-680nm：且在45±4.5度入射角条件下，Tp＞93％，Ts＜0.8％。本发明设计的偏振光束分离器在450nm、550nm、650nm处消光比分别小于0.002，0.004和0.006，偏振度大于0.93，性能优于或等于商业化要求的在450nm为0.029；在550nm消光比为0.006；在650nm消光比为0.006这些标准。同时透射曲线呈现非常平滑的状态。由以上的数据可看到本发明所提出的二维金属光子晶体设计的偏振光束分离器同时具有高的偏振度和高的透射率，克服了传统偏振器难以克服的困难。从s和p波的透射曲线中可知，当光束入射的角度以45°角为中心偏离±4.5°时，两种光波的透射率几乎没有变化，可见本发明降低了在实际操作中对入射光的要求。R/a的值在0.219±0.01改变时，s和p波的透射系数在本发明所要求的波段内几乎没有变化，因此对实验中金属棒尺寸涨落留有一定的余地。

Claims

1.一种可见光波段高偏振度偏振光束分离器，包括衬底(1)，其特征在于：

在衬底(1)上构成二维阵列结构的介质棒(2)，在介质棒之间嵌有SiO₂(3)；所说的二维阵列结构可以是正方格子或六角格子等；所说的介质棒(2)是由金属材料构成的。

2.根据权利要求1.一种可见光波段高偏振度偏振光束分离器，其特征在于：所说的介质棒的半径R和介质棒的周期性即晶格常数a的比值为0.15和0.25之间，取a＝0.127μm。

3.根据权利要求1.一种可见光波段高偏振度偏振光束分离器，其特征在于：所说的介质棒的长度为10纳米-500纳米。