DE10341596A1

DE10341596A1 - Polarisationsstrahlteiler

Info

Publication number: DE10341596A1
Application number: DE2003141596
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Nagengast; Diana Dr. Tonova; Bernhard von Dr. Blanckenhagen
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-06
Also published as: DE10341596B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polarisationsstrahlteiler, der auf der Basis hochfrequenter Gitter (ZOG) aufgebaut ist. Er umfaßt ein Substrat (1) aus einem dielektrischen, transparenten Material und Gitterstege (2, 4) aus einer optisch dichten Metallschicht (3), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist und auf welche eine Folge übereinander angeordneter Metall- und/oder dielektrischer Schichten und aufgebracht ist. DOLLAR A Die Gitterstege bestehen erfindungsgemäß aus einem Schichtsystem dielektrischer Schichten L und H mit unterschiedlichen Brechungsindizes n. Die Dicken der Schichten L und H sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge lambda und von dem Einfallswinkel PHI des eingestrahlten Lichtes vorgegeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polarisationsstrahlteiler, der in Form eines hochfrequenten Gitters ausgebildet und zur Anwendung in Polarisations- und Projektionsoptiken geeignet ist.
Zur Polarisationsstrahlteilung werden häufig hochfrequente Gitter, im Folgenden als „zero order grating" oder kurz ZOG bezeichnet, genutzt. Solche Gitter zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß die Gitterperiode kleiner ist als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes, für die das Gitter konzipiert ist.
Bei dieser Nutzwellenlängen verhält sich ein solches Gitter wie ein doppelbrechendes Medium, was zu anisotropen Effekten sowohl in Bezug auf die Reflexion als auch auf die Transmission des auftreffenden Lichtes führt, so daß ein derartiges ZOG als Polarisationsstrahlteiler Verwendung finden kann.
Die Gitter sind so ausgeführt, daß parallele Stege aus beispielsweise Aluminium (Al) oder Silber (Ag) auf ein Substrat, das aus Glas oder einem anderen geeigneten Werkstoff besteht, aufgebracht werden. In Analogie zur Polarisation für den infraroten Spektralbereich werden solche ZOG auch als „wire grid"-Polarisatoren bezeichnet. Eine wichtige Kenngröße für solche Gitter ist der Füllfaktor F als Verhältnis zwischen der Breite des binären Gitters (der Stegbreite ω) und der Gitterperiode Λ. Der Quotient aus der Höhe h des Gitterstegs und der Stegbreite ω wird allgemein als Aspektverhältnis bezeichnet.
In der US 6,243,199 B1 ist ein „wire grid"-Polarisations-strahlteiler beschrieben, bei dem auf einem Substrat parallele Gitterstege, die aus einer dünnen, auf dem Substrat aufgebrachten Metallschicht aus Al oder Ag herausgearbeitet wurden, angeordnet sind. Diese dünnen Gitterstege wechselwirken mit den eingestrahlten Lichtwellen in der Weise, daß das Licht einer Polarisationsrichtung transmittiert und Licht einer anderen Polarisationsrichtung reflektiert wird. Die Gitterstege haben eine Höhe kleiner oder gleich 0,5 μm.
Nachteilig ist, daß Licht an den Gitterstegen absorbiert wird, was zu einer Erwärmung des ZOG führen kann. Bei hohen Strahlungsintensitäten kann es deshalb zur Zerstörung des ZOG kommen.
Die Ursache der Absorption besteht u.a. darin, daß das elektrische Feld der Lichtwelle in die Metallstege eindringt. Aus dem Gebiet der optischen Interferenzschichten ist bekannt, daß die in die Metallschicht eindringende Feldstärke verringert werden kann, wenn auf der Metallschicht ein dielektrisches Schichtsystem aufgebracht ist.
Aus der Zeitschrift „Journ. of the Optical Society of Am.", A, 14, 1627, (1997) sind „wire grid"-Polarisations-strahlteiler mit Gitterstegen bekannt, wobei die Stege aus einem Mehrfachschichtsystem von dielektrischen Materialien gebildet sind. Die Gitterstege bestehen aus SiO₂ oder Si, und der betrachtete Spektralbereich ist das nahe Infrarot, in dem sich das Si wie ein Dielektrikum (k-Wert gleich 0 oder nahe 0) verhält. Erwärmungen treten bei der Anwendung nicht auf. Allerdings würden bei Anwendung im sichtbaren Spektralbereich Probleme auftreten, weil hier ein sehr großes Aspektverhältnis (h/ω > 10) realisiert werden muß, um die gewünschten Spezifikationen zu erreichen.
Polarisationsstrahlteiler nach Art eines ZOG, bestehend aus einem Mehrfachschichtsystem mit auf einem Substrat angeordneten, parallel verlaufenden und aus sich abwechselnden Metall- und dielektrischen Schichten bestehenden Gitterstegen sind auch aus der EP 1 239 308 A2 bekannt. Auch dort sind die Gitterteilung, die Stegbreite und die Steghöhe kleiner als die Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes. Als Metallschichten werden ebenfalls Al- oder Ag-Schichten verwendet. Materialien für die dielektrischen Schichten sind z.B. MgF₂, SiO₂ oder TiO₂. Bei den so ausgebildeten ZOG ist allerdings wiederum der Nachteil einer hohen Absorption zu erwarten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen als hochfrequentes Gitter ausgebildeten Polarisationsstrahlteiler zu schaffen, der sich gegenüber bekannten Polarisationsstrahlteiler dieser Art durch eine verringerte Absorption des eingestrahlten Lichtes und damit eine reduzierte Erwärmung auszeichnet und so eine verbesserte Effizienz der Strahlteilung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für einen Polarisationsstrahlteiler der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art gelöst, indem

– die Gitterstege mit einem Schichtsystem übereinander angeordneter, dielektrischer Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes n belegt und
– die Dicken dieser Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und vom Einfallswinkel ϕ des eingestrahlten Lichtes vorgegeben sind.

In den Unteransprüchen sind weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung offenbart.
Durch das auf die Gitterstege aufgebrachte Schichtsystem aus dielektrischen Materialien wird erreicht, daß das elektrische Feld nur noch mit verringerter Stärke die in die Gitterstege eindringt und damit wie beabsichtigt auch die Erwärmung des Polarisationsstrahlteilers reduziert wird.
So ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, wenn die Gitterstege eine optisch dichte Metallschicht aufweisen, die unmittelbar auf dem Substrat angeordnet ist und auf welcher in der Reihenfolge von innen nach außen eine dielektrische Schicht L der Dicke d_L mit einem niedrigen Brechungsindex n_L und eine dielektrische Schicht H der Dicke d_H mit einem hohen Brechungsindex n_H aufgebracht sind.
Eine weitere günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Gitterstege eine optisch dichte Metallschicht aufweisen, auf welcher ein Schichtsystem vorgesehen ist, das aus P Schichtfolgen übereinander angeordneter Schichten mit niedrigem und hohem Brechungsindex besteht, wobei l = 1; 2; 3; ... m ist, mit m einer ganzen Zahl Einen sehr effektiv wirkenden Polarisationsstrahlteiler erhält man, wenn die Schichtdicke d der Schichten des Schichtsystems nach der Beziehung d=λ0/(4·n·cosϕ)dimensioniert ist, wobei λ₀ die Wellenlänge des Lichtes, für welche die Reflektivität maximal wird, n der ordentliche Brechungsindex des strukturierten Schichtsystems (berechnet nach der Effective Medium Theorie) bei λ₀ und ϕ der Einfallswinkel des Lichtes in das Schichtmaterial bedeuten.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Schichten L mit niedrigem Brechungsindex n_L aus SiO₂, MgF₂, Chiolith, Kryolith, Al₂O₃ oder aus einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Schichten H mit hohem Brechungsindex n_H aus TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, HfO₂, LaF₃, Nb₂O₅ oder aus weiteren Lanthanoidfluoriden bestehen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 den vereinfacht dargestellten Aufbau eines erfindungsgemäßen Polarisationsstrahlteilers mit einer Schichtfolge,
2 den vereinfacht dargestellten Aufbau eines erfindungsgemäßen Polarisationsstrahlteilers mit l Schichtfolgen,
3 ein Absorptionsdiagramm für s-polarisiertes Licht und
4 ein Absorptionsdiagramm für p-polarisiertes Licht.
In 1 ist vereinfacht ein Polarisationsstrahlteiler dargestellt, welcher ein Substrat 1 aus dielektrischem, transparentem Material, beispielsweise Glas, umfaßt. Auf dem Substrat 1 sind Gitterstege 2 mit einer Gitterperiode A und einer Stegbreite ω angeordnet, die aus einer optisch dichten Metallschicht 3, beispielsweise Al oder Ag, und darauf angeordneten dielektrischen Schichten L und H mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammengesetzt sind.
Die Gitterstege 2 sollen im gewählten Ausführungsbeispiel parallel zueinander ausgerichtet sein. Andere Ausrichtungen sind denkbar.
Die dielektrischen Schichten umfassen eine Schicht L (low) mit einem niedrigen Brechungsindex n_L, die unmittelbar auf die Metallschicht 3 der Gitterstege 2 aufgebracht ist, sowie eine Schicht H (high) mit einem hohen Brechungsindex n_H, die auf die Schicht L aufgebracht ist.
Das unmittelbare Aufbringen der Schicht L auf die Metallschicht 3 ist lediglich beispielhaft gewählt. Alternativ ist es selbstverständlich möglich, die Folge der dielektrischen Schichten mit der Schicht H zu beginnen.
Die Dicken d_L und d_H der dielektrischen Schichten L und H sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des auf den Polarisationsstrahlteiler eingestrahlten Lichtes festgelegt.
Eine Verringerung der Absorption des eingestrahlten Lichtes in der Metallschicht 3 wird effektiv erreicht, wenn die Schichten L und H eine Schichtdicke d_L bzw. d_H besitzen, die etwa λ/4 der Wellenlänge des verwendeten Lichtes bei einem geeigneten Einfallswinkel ϕ beträgt. Für eine entsprechende Wellenlänge und einen bestimmten Einfallswinkel ϕ ergibt sich die entsprechende Schichtdicke d der Schichten nach der Beziehung d=λ₀/(4·n·cosϕ), wobei λ₀ die Wellenlänge des Lichtes ist, für welche die Reflektivität maximal wird, n der ordentliche Brechungsindex des strukturierten Schichtsystems (berechnet nach der Effective Medium Theorie) bei λ₀ und ϕ der Einfallswinkel des Lichtes in das Schichtmaterial. Hierdurch wird die Reflektivität in einem ausgewählten Spektralbereich gegenüber einer reinen Metallschicht erhöht. Dieser Vorgang kann auch als dielektrische Verstärkung bezeichnet werden.
2 zeigt einen Polarisationsstrahlteiler, der ebenfalls als ein hochfrequentes Gitter ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung des Polarisationsstrahlteilers bestehen die beispielsweise parallel zueinander auf dem Substrat angeordneten Gitterstege 4 aus der optisch dichten Metallschicht 3 und den Schichtfolgen l, die auf die Metallschicht 3 aufgebracht sind, in der Reihenfolge von innen nach außen bestehend aus Schichten L mit einem niedrigen n_L und H mit einem hohen Brechungsindex n_H. So können bis zu l = 3 und mehr Schichten L und H auf der Metallschicht 3 angeordnet sein.
Als Werkstoffe für die Schichten L mit niedrigem Brechungsindex n_L können SiO₂, MgF₂, Chiolith, Kryolith, Al₂O₃ oder andere geeignete Werkstoffe eingesetzt werden. Die Schichten H mit hohem Brechungsindex n_H können aus TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, HfO₂, LaF₃, Nb₂O₅ oder aus weiteren Lanthanoidfluoriden bestehen. Es ist weiterhin jede Kombination aus Dünnschichtmaterialien denkbar, für welche die Beziehung n_H/n_L > 1 gilt.
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Polarisationsstrahlteiler, die aus dem Substrat 1 und den Gitterstegen 2 bzw. 4 bestehen, wird zunächst die Metallschicht aus Al oder Ag auf das Substrat 1 aufgebracht, und anschließend erfolgt das Aufbringen der die lektrischen Schichten. Dieses Schichtsystem wird dann so strukturiert, daß Stege verbleiben wie beispielsweise in 1 und 2 gezeigt.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß die Metallschicht aus Al oder Ag auf das Substrat 1 aufgebracht und zunächst so strukturiert wird, daß dünne Metallstege entstehen. Diese Metallstege werden in weiteren Bearbeitungsschritten mit dielektrischen Schichten in der beschriebenen Folge belegt.
Der Effekt der dielektrischen Verstärkung auf die Absorption eines derartigen Polarisationsstrahlteilers wird an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Die entsprechenden Absorptionsdiagramme sind in 3 und 4 dargestellt. Es zeigen 3 und 4 Diagramme berechneter Absorptionen jeweils für s- und p-polarisiertes Licht, das unter einem Einfallswinkel ϕ = 45° auf den Polarisationsstrahlteiler trifft.
Als Substrat wird beispielsweise Glas BK7 verwendet, auf das eine Metallschicht 3 von etwa 70 nm Dicke aufgebracht ist. Als dielektrische Schicht L mit einem niedrigen Brechungsindex ist eine Schicht aus SiO₂ von einer Dicke d_L = 109 nm vorgesehen. Die Dicke d_H der auf der Schicht L angeordneten dielektrischen Schicht H aus TiO₂ mit einem hohen Brechungsindex beträgt bei diesem Beispiel dH = 76 nm. Die angegebenen Schichtdicken stellen dabei die λ/4-Schicht-dicken für den ordentlichen Brechungsindex des jeweiligen effektiven Mediums (der Schicht) dar. Die Gitterperiode Λ beträgt etwa 210 nm.
3 zeigt die Absorptionskurven für s-polarisiertes Licht für den Polarisationsstrahlteiler, wobei die absolute Absorption über der Wellenlänge aufgetragen ist. Diesem Diagramm ist zu entnehmen, daß die Absorption des dielektrisch verstärkten ZOG, dargestellt durch die Kurve 5, wesentlich geringer ist als die Absorption eines ZOG aus reinen Metallstegen, dargestellt durch die Kurve 6.
4 zeigt ein entsprechendes Diagramm für die absolute Absorption für p-polarisiertes Licht mit und ohne dielektrische Verstärkung, wobei sich hier die Absorptionskurven für das dielektrisch verstärkte ZOG (Kurve 5) und für ein ZOG aus reinen Metallstegen (Kurve 6) überdecken.
Aus diesen Diagrammen wird deutlich, daß die Absorption für s-polarisiertes Licht durch die dielektrische Verstärkung wesentlich reduziert ist. Für p-polarisiertes Licht dagegen ist ein Unterschied nicht zu erkennen.
Bei Polarisationsstrahlteilern mit mehreren Schichtfolgen tritt eine weitere Verringerung der Absorption auf, wobei jedoch der Spektralbereich deutlich schmaler wird, so daß der nutzbare Wellenlängenbereich nicht mehr den gesamten sichtbaren Spektralbereich umfaßt.

1: Substrat
2: Gittersteg
3: Metallschicht
4: Gittersteg
5: Kurve
6: Kurve
L: Schicht mit niedrigem Brechungsindex
H: Schicht mit hohem Brechungsindex
n: Brechungsindex
n_L: niedriger Brechungsindex
n_H: hoher Brechungsindex
d_L: Dicke der Schicht L
d: Schichtdicke
d_H: Dicke der Schicht H
l: Schichtfolge
Λ: Gitterperiode
λ: Wellenlänge
ω: Stegbreite
ϕ: Einfallswinkel

Claims

Polarisationsstrahlteiler, der als hochfrequentes Gitter ausgebildet ist, umfassend – ein Substrat aus einem dielektrischen, transparenten Material – Gitterstege aus einer optisch dichten Metallschicht, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und – eine Folge von Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß – die Gitterstege (2, 4) mit einem Schichtsystem übereinander angeordneter, dielektrischer Schichten (L, H) mit unterschiedlichen Brechungsindizes n belegt sind, und – die Dicken (d_L, d_H ) dieser Schichten (L, H) in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und vom Einfallswinkel ϕ des eingestrahlten Lichtes festgelegt sind.
Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstege (2, 4) eine optisch dichte Metallschicht (3) umfassen, auf welcher in der Reihenfolge von innen nach außen eine dielektrische Schicht L der Dicke d_L mit einem niedrigen Brechungsindex n_L und eine dielektrische Schicht H der Dicke d_H mit einem hohen Brechungsindex n_H aufgebracht sind.
Polarisationsstrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstege (2, 4) eine optisch dichte Metallschicht (3) umfassen, auf der l Schichtfolgen aus Schichten (L, H) mit niedrigem und hohem Brechungsindex (n_L, n_H ) übereinander angeordnet sind, wobei l = 1; 2; 3; ... m ist, mit m einer ganzen Zahl.
Polarisationsstrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke d der Schichten des Schichtsystems nach der Beziehung d=λ0/(4·n·cosϕ)dimensioniert ist, wobei λ₀ die Wellenlänge des Lichtes ist, für welche die Reflektivität maximal wird, n der ordentliche Brechungsindex des strukturierten Schichtsystems bei λ₀ und ϕ der Einfallswinkel des Lichtes im Schichtmaterial sind.
Polarisationsstrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten L mit niedrigem Brechungsindex n_L aus SiO₂, MgF₂, Chiolith, Kryolith, Al₂O₃ oder aus einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen.
Polarisationsstrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten H mit hohem Brechungsindex n_H aus TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅, HfO₂, LaF₃, Nb₂O₅ oder aus weiteren Lanthanoidfluoriden bestehen.
Polarisationsstrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (d) der einzelnen Schichten der Gitterstege (2, 4) kleiner als die Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes sind.
Polarisationsstrahlteiler nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstege (2, 4) parallel zueinander ausgerichtet sind.