DE102005009537A1 - Polarization optical unit for e.g. polarizing diffractive unit, has bars arranged at distance and aligned parallel to each other on quartz glass carrier e.g. substrate, and including refractive index that is same as carrier - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf binäre Gitterstrukturen, die in Reflexion und Transmission zur Polarisation von elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen im UV-Spektralbereich und kürzerer Wellenlängen bei von null Grad ausgehendem, variierendem Einfallswinkel geeignet sind.The Invention relates to binary Lattice structures reflecting in reflection and transmission for polarization of electromagnetic radiation of different wavelengths in the UV spectral range and shorter wavelength at zero degree outgoing, varying angle of incidence suitable are.
Bevorzugte Anwendungsgebiete im Allgemeinen sind polarisierende diffraktive Elemente und im Besonderen Linearpolarisatoren und Polarisationsstrahlteiler.preferred Application areas in general are polarizing diffractive Elements and in particular linear polarizers and polarization beam splitters.
Polarisatoren für den UV-Spektralbereich basieren zum größten Teil auf refraktiven Strahlteilerprismen oder auf dielektrischen Schichtsystemen. Die für diese Systeme erforderlichen Bautiefen sind bei beschränkt zur Verfügung stehendem Raum oft hinderlich. Außerdem limitieren die Kitteigenschaften der Strahlteilerprismen die zur Verfügung stehenden Strahldurchmesser.polarizers for the UV spectral range are based for the most part on refractive beam splitter prisms or on dielectric layer systems. The required for these systems Overall depths are limited to disposal standing room often obstructive. In addition, the Kitteigenschaften limit the Beam splitter prisms available standing beam diameter.
Bekannt
ist es auch, mit Hilfe diffraktiver optischer Bauelemente, die periodische
Gitterstrukturen aufweisen, eine polarisierende Wirkung zu erzielen.
Bevorzugt sind derartige diffraktive Polarisatoren und Polarisationsstrahlteiler
als Draht-Gitter-Polarisatoren (wire grid polarizer) aufgebaut,
die, wie z. B. in der
Da das Metallgitter strahlungsundurchlässige Bereiche aufweist, ist der Wirkungsgrad limitiert. Ferner müssen aufgrund des wärmeabsorbierenden Metallgitters herabgesetzte Zerstörschwellen, insbesondere bei der Einstrahlung von Laserstrahlung in Kauf genommen werden.There the metal grid has radiopaque regions the efficiency is limited. Furthermore, due to the heat-absorbing metal grid reduced damage thresholds, especially in the irradiation of laser radiation accepted become.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die genannten Nachteile zu vermeiden und Polarisatoren mit einem verbesserten Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, die für einen erweiterten Bereich von Anwendungen geeignet sind und die in einem weiten Größenspektrum hergestellt werden können.task The invention is therefore to avoid the disadvantages mentioned and polarizers with improved efficiency ask for an extended range of applications are suitable and the in a wide range of sizes can be produced.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein polarisationsoptisches Bauelement gelöst, das auf einem Träger eine Vielzahl parallel zueinander ausgerichteter und beabstandet angeordneter Stege enthält, die den gleichen Brechungsindex aufweisen wie der Träger.According to the invention the object is achieved by a polarization-optical component, the on a carrier a plurality of parallel aligned and spaced contains arranged webs, which have the same refractive index as the carrier.
Das polarisationsoptische Bauelement ist als binäre Gitterstruktur mit einer durch die Höhe der Stege bestimmten Gittertiefe ausgebildet, bei der die Gittertiefe und ein aus dem Verhältnis aus Gitterperiode und Breite der Stege gebildeter Füllfaktor als Parameterpaar aus einer Schar von Parameterpaaren bei vorgegebener Wellenlänge und Gitterperiode derart entnommen sind, dass eine binäre Funktion zur alternativen Transmission oder Reflexion von Strahlung unterschiedlicher Polarisation resultiert.The polarization-optical component is called a binary lattice structure with a through the height the webs formed specific grid depth at which the grid depth and one out of proportion fill factor formed from the grating period and the width of the webs as a parameter pair from a group of parameter pairs for a given one wavelength and grating period are taken such that a binary function for alternative transmission or reflection of radiation different Polarization results.
Innerhalb der Schar von Parameterpaaren gibt es eine Vielzahl, für jede vorgegebene Gitterperiode periodisch wiederkehrender Parameterpaare, die eine derartige alternative Strahlausbreitung von Strahlung unterschiedlicher Polarisation verursachen.Within There is a multitude of parameter pairs, for every given one Grating period of periodically recurring parameter pairs, which is a Such alternative beam propagation differs from radiation Cause polarization.
Das Polarisationsgitter besteht vorteilhaft vollständig aus Quarzglas.The Advantageously, the polarization grating is completely made of quartz glass.
Die Gittertiefe, die mit Werten zwischen 200 nm und 2000 nm mehr als das zehnfache der einfallenden Wellenlänge betragen kann, ist maßgeblich für den Polarisationskontrast verantwortlich. Die Gitterperiode liegt in einem Bereich zwischen 50 nm und 700 nm und kann somit Werte annehmen, die kleiner oder wesentlich größer als die einfallende Wellenlänge sind. Das Verhältnis Gitterperiode zur Breite der Stege kann wiederum zwischen 0,1 und 0,9 schwanken.The Lattice depth, with values between 200 nm and 2000 nm more than which can be ten times the incident wavelength is decisive for the polarization contrast responsible. The grating period is in a range between 50 nm and 700 nm and thus can assume values smaller or smaller much larger than the incident wavelength. The relationship Grid period to the width of the webs can turn between 0.1 and 0.9 fluctuate.
Die erfindungsgemäßen polarisationsoptischen Bauelemente sind als binäre Phasengitter mit unterschiedlichen optischen Funktionen ausgestattet und vor allem für Wellenlängen in einem Bereich zwischen 100 nm und 400 nm, bevorzugt jedoch für ausgewählte Wellenlängen von 193 nm und 248 nm herstellbar.The according to the invention polarization optical Components are considered binary Phase grating equipped with different optical functions and especially for wavelength in a range between 100 nm and 400 nm, but preferably for selected wavelengths of 193 nm and 248 nm can be produced.
Vorteilhaft gewährleisten die polarisationsoptischen Bauelemente einerseits das optische Schalten zwischen verschiedenen Gitterordnungen mit veränderlicher Polarisation. Andererseits können unterschiedliche Polarisationseigenschaften in verschiedenen Beugungsordnungen erzeugt werden, was insbesondere bedeutsam ist für die Materialbearbeitung und die optische Lithographie, wo verschiedene Polarisationszustände benötigt werden.Advantageous guarantee the polarization-optical components on the one hand the optical switching between different grids with variable polarization. on the other hand can different polarization properties in different diffraction orders be generated, which is particularly important for material processing and optical lithography, where different polarization states are needed.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Stege zur Effizienzerhöhung hinsichtlich einer entspiegelnden Wirkung dachkantartig spitz zulaufend ausgebildet sind.Further it is advantageous if the webs for efficiency increase in terms an anti-reflective effect are designed like a trough point tapered.
Die obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von polarisationsoptischen Bauelementen gelöst, bei dem aus einem monolithischen Quarzglasblock lithographisch parallel zueinander ausgerichtete und auf einem Quarzglasträger stehende Stege mit dazwischen liegenden Gräben herausgearbeitet werden.The The above object is further according to the invention by a process for the preparation of polarization-optical components solved, in which from a monolithic Quartz glass block lithographically aligned parallel to each other and on a quartz glass carrier Standing bridges with intervening trenches are worked out.
Aus dem monolithischen Quarzglasblock wird eine binäre Gitterstruktur mit einer durch die Höhe der Stege bestimmten Gittertiefe erzeugt, wobei die Gittertiefe und ein aus dem Verhältnis aus Gitterperiode und Breite der Stege gebildeter Füllfaktor als Parameterpaar aus einer Schar von Parameterpaaren bei vorgegebener Wellenlänge und Gitterperiode derart entnommen werden, dass eine binäre Funktion zur alternativen Transmission oder Reflexion von Strahlung unterschiedlicher Polarisation resultiert.Out The monolithic quartz glass block is a binary lattice structure with a through the height the webs generated specific grid depth, the grid depth and one out of proportion from filling period and width of the webs formed filling factor than Parameter pair from a group of parameter pairs for a given one wavelength and grating period are taken such that a binary function for alternative transmission or reflection of radiation different Polarization results.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are given in the dependent claims.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be explained below with reference to the schematic drawing. It demonstrate:
Fertigungstechnisch
werden an sich bekannte lithographische Verfahren angewendet, um
aus einem monolithischen Block aus dielektrischem Material, vorzugsweise
Quarzglas, erfindungsgemäße polarisationsoptische
Bauelemente durch Ätzen
herauszuarbeiten, die gemäß
Charakteristische
Merkmale eines Polarisationsgitters gemäß
Die
beiden für
die Anwendungen in Frage kommenden Polarisationsrichtungen unterscheiden sich
derart, dass der E-Feldvektor
E bei der einen Polarisationsrichtung senkrecht (TM-polarisiert)
und bei der anderen Polarisationsrichtung parallel (TE-polarisiert)
zur Längsausdehnung
der Gräben
Der Füllfaktor F ergibt sich aus dem Verhältnis von Grabenbreite zu Gitterperiode mit 1 – (b/a0) bzw. aus dem Verhältnis von Gitterperiode a0 zu Stegbreite (a0 – b).The fill factor F results from the ratio of trench width to grating period with 1 - (b / a 0 ) or from the ratio of grating period a 0 to land width (a 0 - b).
Gemäß den
So kann für eine konstante Gitterperiode von 500 nm und eine Beleuchtungswellenlänge von 193 nm bei der Variation der Gittertiefe d in einem Bereich von 400 nm bis 1700 nm und dem Verhältnis von Gitterperiode a0 zu Stegbreite (a0 – b) (Füllfaktor F) zwischen 0,1 und 0,5 die gewünschte polarisierende Wirkung erreicht werden. Für eine Gittertiefe d von etwa 1450 nm und einem Füllfaktor F von 0,35 zum Beispiel ist ein Abschwächungsverhältnis zwischen den beiden Polarisationsrichtungen größer 1:1000 erreichbar.Thus, for a constant grating period of 500 nm and an illumination wavelength of 193 nm in the variation of the grating depth d in a range of 400 nm to 1700 nm and the ratio of grating period a 0 to land width (a 0 - b) (fill factor F) between 0.1 and 0.5, the desired polarizing effect can be achieved. For example, for a grating depth d of about 1450 nm and a fill factor F of 0.35, an attenuation ratio between the two polarization directions greater than 1: 1000 can be achieved.
In
den beiden Kurvendarstellungen gemäß
Vorteilhaft
kann eine Effizienzsteigerung durch eine Modifikation der Stege
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