JPH09178943A - 偏光光学素子 - Google Patents
偏光光学素子Info
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- JPH09178943A JPH09178943A JP7351448A JP35144895A JPH09178943A JP H09178943 A JPH09178943 A JP H09178943A JP 7351448 A JP7351448 A JP 7351448A JP 35144895 A JP35144895 A JP 35144895A JP H09178943 A JPH09178943 A JP H09178943A
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Abstract
大きなグリツド周期で形成し得、波長 800〔nm〕帯で実
用上十分な消光比を有するようにする。 【解決手段】波長 400〔nm〕から1〔μm〕でなる可視
波長域から近赤外波長域の光に対して、偏光作用する偏
光光学素子において、屈折率n1 の透明基板上に形成さ
れている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩
形、厚みh、厚み 0.5hにおける幅b、グリツド周期
d、底面と側面のなす角s、金属グリツドのグリツド間
の屈折率n2 及び金属グリツド上部の屈折率n3 とし
て、(1)式又は(3)式の条件を満たす。
Description
し、特にワイヤーグリツドを用いた偏光子や偏光ビーム
スプリツタに適用して好適なものである。
グリツド周期dは使用する光の波長λの1/5〜1/10
と非常に短周期でなければならないと考えられてきた。
従つて可視波長域から近赤外波長域の光でのワイヤーグ
リツド偏光子は、必要なグリツド周期dが例えば波長 8
00〔nm〕では 160〔nm〕以下と非常に小さくなり、その
作製が極めて困難であるという問題があつた。
赤外光での作製を可能にする手段として共鳴型ワイヤー
グリツド偏光子が提案されている(特願平6-340382)。
これによれば、基板の屈折率をnとした次式
る。
共鳴型ワイヤーグリツド偏光子は金属グレーテイングが
屈折率nの媒質中に埋め込まれた場合のみに有効なもの
であり、それ以外の配置についての方策は示されていな
い。また、この共鳴型ワイヤーグリツド偏光子では、P
偏光透過率Tpを小さくするために、デユーテイ(b/
d)をb/d〜 0.6と大きくしなければならないが、こ
のため、S偏光透過率Tsが低下する。また、S偏光反
射率Rsの波長依存性が大きくなり、反射消光比(偏光
コントラスト)の波長特性が悪化するという問題点があ
つた。さらに、共鳴型では共鳴波長を使用波長近傍に合
わせるために、金属グレーテイングの厚みや幅をかなり
厳しく制御する必要があつた。
で、従来に比して大きなグリツド周期で形成し得、波長
800〔nm〕帯で実用上十分な消光比を有する偏光光学素
子を提案しようとするものである。
め本発明においては、波長 400〔nm〕から1〔μm〕で
なる可視波長域から近赤外波長域の光に対して、偏光作
用する偏光光学素子において、屈折率n1 の透明基板上
に形成されている金属グリツドで、各グリツドの断面形
状を略矩形、厚みh、厚み 0.5hにおける幅b、グリツ
ド周期d、底面と側面のなす角s、金属グリツドのグリ
ツド間の屈折率n2 及び金属グリツド上部の屈折率n3
として、(1)式の条件を満たすようにした。
ら1〔μm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光に
対して、偏光作用する偏光光学素子において、屈折率n
1 の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グ
リツドの断面形状を略矩形、厚みh、厚み 0.5hにおけ
る幅b、グリツド周期d、底面と側面のなす角s、金属
グリツドのグリツド間の屈折率n2 及び金属グリツド上
部の屈折率n3 として、(3)式の条件を満たすように
した。
金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩形、厚み
h、厚み 0.5hにおける幅b、グリツド周期d、底面と
側面のなす角s、金属グリツドのグリツド間の屈折率n
2 及び金属グリツド上部の屈折率n3 として、(1)式
の条件を満たすようにしたことにより、波長 400〔nm〕
から1〔μm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光
に対して偏光作用し得る。
ている金属グリツドで、各グリツドの断面形状を略矩
形、厚みh、厚み 0.5hにおける幅b、グリツド周期
d、底面と側面のなす角s、金属グリツドのグリツド間
の屈折率n2 及び金属グリツド上部の屈折率n3 とし
て、(3)式の条件を満たすようにしたことにより、波
長 400〔nm〕から1〔μm〕でなる可視波長域から近赤
外波長域の光に対して偏光作用し得る。
施例を詳述する。
イングにおいて、可視波長域から近赤外波長域(波長 4
00〔nm〕〜1〔μm〕)で、低損失かつ実用上十分な消
光比(例えば10以上)を有する偏光ビームスプリツタ
(S偏光透過率Ts、P偏光反射率Rp:大、P偏光透
過率Tp、S偏光反射率Rs:小)を金属グレーテイン
グの形状パラメータを選ぶことにより実現する。
リツド偏光ビームスプリツタの断面の概略図を示す。金
属グリツド1は、Al、Au等の高反射率金属又はそれ
らの組み合わせで形成されている。その厚みをh、幅
(h/2での値)をb、またグリツド断面を台形で近似
したときの底面と側面のなす角度をs、グレーテイング
周期をd、そして基板2の屈折率をn1 、グリツド間の
屈折率をn2 、上部の屈折率をn3 、使用波長をλとす
ると、これらは次式
を説明する。なお、ワイヤーグリツド偏光子への入射角
は図2に示すように法線方向からグレーテイングの波数
ベクトル方向V0 に測つた角度をα、グレーテイングの
波数ベクトルと垂直方向V1に測つた角度をθとする。
置を用いて屈折率n=1.46の基板上に、グレーテイング
周期d= 300〔nm〕のレジストパターンを形成した。そ
の上にAlを 182〔nm〕蒸着し、リフトオフ法によりA
lからなるグレーテイングを作製した(h/d〜0.6
1)。このグレーテイング断面をSEM観察したとこ
ろ、断面形状は略矩形(s〜75〔°〕)で、b/dは約
0.40であつた。
m〕で測定したS偏光透過率Ts、S偏光反射率Rs、
P偏光透過率Tp、P偏光反射率Rp及びTs/Tp、
Rp/Rsの波長依存性を示す。また図3(B)には比
較するために屈折率n2 =n3=1.46の場合の結果を示
す。このときの試料への入射角はθ=5〔°〕である。
と呼ぶ)とすることにより、P偏光透過率Tpが大幅に
減少し、透過光消光比(Ts/Tp)約10が得られた。
この場合、d/λは0.36〜0.42(λ= 840〜720 〔n
m〕)である。一方、図3(A)、(B)共にS偏光反
射率Rsは小さく反射光消光比(Rp/Rs)は10以上
となつているが、図3(B)の方がP偏光反射率Rpが
大きく低損失である。
ング周期d= 300〔nm〕、s〜75〔°〕、h/d〜0.6
1、b/d〜0.40では良好な偏光ビームスプリツタ特性
が得られたが、s〜75〔°〕、b/d〜0.40とし、様々
な厚みhについて調べた結果、h/d> 0.5でありさえ
すれば常に良好な偏光ビームスプリツタ特性が得られ
た。これは作製時の厚み制御が極めて緩和されるという
ことで実用的に大きな利点がある。
射角度保存性を測定した結果、α、θ共に−40〔°〕〜
+40〔°〕の範囲でλ= 720〜840 〔nm〕でのS偏光透
過率Ts、S偏光反射率Rs、P偏光透過率Tp、P偏
光反射率Rpの波長特性はほとんど変化せず、非常に広
い入射角度範囲で良好な偏光ビームスプリツタ特性が得
られる。
レーテイング周期d=300〔nm〕のAlでなるグレーテ
イングを作製し、偏光特性を測定した。この結果、s<
70〔°〕又はs>110 〔°〕ではS偏光透過率Tsが小
さくなり損失が増大する。また、h/d> 0.5では、P
偏光透過率Tpが大きくて、良好な偏光ビームスプリツ
タは得られない。
テイング周期d= 400〔nm〕のAlでなるグレーテイン
グを作製し、偏光特性を測定した。この場合、b/d≦
0.4ではP偏光透過率Tpが大きくなり透過光消光比が
低下、偏光ビームスプリツタ特性は得られない。また、
b≦dを大きくしてP偏光透過率Tpを小さくすると、
偏光ビームスプリツタ特性を得るためには厚みを制御
し、S偏光の共鳴現象を利用することが必要である。共
鳴現象を用いずに良好な偏光ビームスプリツタ特性を得
るには、d<λ/2が必要である。
たすワイヤーグリツド偏光子にすることにより、従来の
ワイヤーグリツド偏光子で要求されたグリツド周期より
も大きな周期で実用上十分な特性を有する非共鳴型偏光
ビームスプリツタが作製できる。また、従来では作製困
難であつた可視光から近赤外光用ワイヤーグリツド偏光
子又は偏光ビームスプリツタの作製が容易になる。さら
に、λ/3<d<λ/2、n=1配置とすることで、低
デユーテイ比(b/d≦ 0.4)とすることができ、これ
により厚み許容度が大きく作製し易い、良好なワイヤー
グリツド偏光ビームスプリツタが得られる。
イングにおいて、可視波長域から近赤外波長域(波長 4
00〔nm〕〜1〔μm〕)で、低損失かつ実用上十分な消
光比(例えば10以上)を有する透過型ワイヤーグリツド
偏光子(S偏光透過率Ts:大、P偏光透過率Tp:
小)、又は、反射型ワイヤーグリツド偏光子(P偏光反
射率Rp:大、S偏光反射率Rs:小)、さらに、偏光
ビームスプリツタ(S偏光透過率Ts、P偏光反射率R
p:大、P偏光透過率Tp、S偏光反射率Rs:小)を
金属グレーテイングの形状パラメータを選ぶことによ
り、そしてまた、屈折率n=1でのS偏光共鳴現象を利
用することにより実現する。
光子(偏光ビームスプリツタ)の断面(図示せず)は、
図1に示した断面の概略図と同形状であり、以下に述べ
る条件を満たすものである。金属グリツドは、Al、A
u等の高反射率金属又はそれらの組み合わせで形成され
ている。金属グリツドの厚みをh、幅(h/2での値)
をb、またグリツド断面を台形で近似したときの底面と
側面のなす角度をs、グレーテイング周期をd、基板屈
折率をn、グリツド間の屈折率をn2 、上部の屈折率を
n3 、使用波長をλ、また、屈折率1でのS偏光共鳴波
長をλres とすると、これらは次式
を説明する。なお、ワイヤーグリツド偏光子への入射角
は、法線方向からグレーテイングの波数ベクトル方向V
0 に測つた角度をα、グレーテイングの波数ベクトルと
垂直方向V1 に測つた角度をθとする(図2)。
画装置を用いてn=1.46の基板上にd= 400〔nm〕のレ
ジストパターンを形成し、その上にAlを 150〔nm〕蒸
着し、リフトオフ法によりAlからなるグレーテイング
を作製した(h/d〜0.38)。このグレーテイング断面
をSEM観察したところ、断面形状はほぼ矩形(s〜75
〔°〕)で、b/dは約0.46であつた。波長 720〜840
〔nm〕で測定したS偏光透過率Ts、S偏光反射率R
s、P偏光透過率Tp、P偏光反射率Rp及びTs/T
p、Rp/Rsの波長依存性を図4(A)に示す。図4
(B)には比較のため屈折率n2 =n3 =1.46の場合の
結果を示した。試料への入射角はθ=5〔°〕である。
置(n2 =n3 =1)とすることにより、P偏光透過率
Tpが大幅に減少し、透過光消光比(Ts/Tp)が約
10となり、良好な透過型偏光子が得られた。この場合、
d/λは0.48〜0.56(λ= 837〜720 〔nm〕)であり、
特に、d/λ>0.5 という従来のワイヤーグリツド偏光
子と比較して大きな周期dで良好な透過光消光比が得ら
れている点が特徴である。本試料の形状パラメータは、
s〜75〔°〕、h/d〜0.38、b/d〜0.46であるが、
s<70〔°〕又はs> 110〔°〕では、S偏光透過率T
sが低下し損失が大きくなる。また、h/d<0.25又は
b/d<0.3 ではP偏光透過率Tpが増大し、透過光消
光比が低下する。ワイヤーグリツド偏光子の作製上、h
/d>1、b/d>0.7 は困難であるので、従つて、70
〔°〕<s< 110〔°〕、0.25<h/d<1、 0.3<b
/d< 0.7であることが必要である。しかし、図4
(A)ではS偏光反射率Rsが大きく反射光消光比(R
p/Rs)が低い。これは厚みh(〜 150〔nm〕)とデ
ユーテイb/d(〜0.46)によつて決まるS偏光共鳴波
長λres が 720〔nm〕よりもはるかに短波長にずれてし
まつているからである。
期d= 400〔nm〕、厚みh〜 220〔nm〕、b/d〜0.46
のAlからなるグレーテイングを作製した。これをSE
M観察すると、ほぼ矩形(s〜75°)の断面形状であつ
た。この試料における偏光特性測定結果を図5に示す。
透過光消光比が約15と良好であるのは、第4実施例と同
じであるが、第5実施例では反射光消光比(Rp/R
s)も10以上と良好な偏光ビームスプリツタ特性が得ら
れている。これは、厚みhを 220〔nm〕と厚くすること
により共鳴波長λres を 700〔nm〕近傍まで長波長化し
たためである。共鳴波長λres は、実験的にはhとb/
dが大きくなるにつれて単調に大きくなる。λ> 837
〔nm〕ではRp/Rs<10と小さくなるので、Rp/R
s>10とするためには、使用波長λは共鳴波長λ
res (〜 700〔nm〕)に対してλ<λres / 0.8でなけ
ればならない。また、短波長側でも同様にRp/Rsが
低下するので、λres / 1.2<λと制限される。つま
り、共鳴波長λres は、 0.8λ<λres <1.2 λを満た
さなければならない。
偏光ビームスプリツタ特性を比較のために図6に示す。
厚みh= 188〔nm〕、b/d=0.57である。屈折率n2
=n3 =1.46ではP偏光透過率Tpを小さくするために
デユーテイb/dを大きくしなければならない。このた
め、S偏光反射率Rsの波長変化が大きくなり、反射消
光比の波長特性が悪化し、使用できる波長範囲が狭くな
る。また、S偏光透過率Tsも低くなり損失が大きい。
一方、屈折率n2 =n3 =1では、b/d〜0.46と低デ
ユーテイでもP偏光透過率Tpが十分小さくなるため、
図5のように反射消光比の波長特性は平坦化し使用波長
範囲も広がり、また、S偏光透過率Tsも高くなり、明
らかに偏光ビームスプリツタ特性が改善した。従つて、
b/dはb/d< 0.5であることが望ましい。
ツド周期d= 400〔nm〕、h〜 312〔nm〕、b/d〜0.
46のAlでなるグレーテイングを作製した。SEM観察
ではほぼ矩形(s〜75°)の断面形状であつた。図7に
入射角α=5,10,20,30,40 〔°〕に対してS偏光透過率
Ts、S偏光反射率Rsの波長依存性を測定した結果を
示す。Ts、Rsはα=30〔°〕ではλ〜 770予めの、
α=40〔°〕ではλ〜 830〔nm〕でそれぞれ極小、極大
を示している。この現象はレーリーアノマリーと呼ば
れ、これにより入射角度の範囲が限定される。レーリー
アノマリー波長λR.A.はλR.A.=nd(1+ sinα/n)
で与えられ、垂直入射(α=0〔°〕)ではλR.A.=nd
となる。使用波長λはλR.A.よりも長いことが必要で、
少なくともλ>ndでなければならない。従つて、第4実
施例とからグリツド周期dとしてはλ/2>d<λ/n
となる。
たすワイヤーグリツド偏光子とすることにより、従来の
ワイヤーグリツド偏光子で要求されたグリツド周期より
も大きな周期で実用上十分な特性を有する偏光子又は偏
光ビームスプリツタが作製できる。また、従来は作製困
難であつた可視光から近赤外光用ワイヤーグリツド偏光
子又は偏光ビームスプリツタの作製が容易になる。さら
に、n=1配置することで、低デユーテイでもP偏光透
過率Tpを小さくでき、これにより波長特性の良好なワ
イヤーグリツド偏光子又は偏光ビームスプリツタが得ら
れる。
透明基板上に形成したワイヤーグリツド偏光子について
述べたが、本発明はこれに限らず、この基板表面に無反
射コートを施しても良い。この場合、特性を改善するこ
とができる。さらに、光検出器の形成された基板上に屈
折率nのコーテイングを行い、その上に本発明によるワ
イヤーグリツド偏光子を作製することも可能である。
1 の透明基板上に形成されている金属グリツドで、各グ
リツドの断面形状を略矩形、厚みh、厚み 0.5hにおけ
る幅b、グリツド周期d、底面と側面のなす角s、金属
グリツドのグリツド間の屈折率n2 及び金属グリツド上
部の屈折率n3 として、(1)式又は(3)式の条件を
満たすようにしたことにより、波長 400〔nm〕から1
〔μm〕でなる可視波長域から近赤外波長域の光に対し
て、比較的大きなグリツド周期dで偏光作用し得る偏光
光学素子を実現できる。
線的断面図である。
の説明に供する略線図である。
供する特性曲線図である。
供する特性曲線図である。
リツタ特性を示す特性曲線図である。
プリツタ特性を示す特性曲線図である。
供する特性曲線図である。
Claims (7)
- 【請求項1】波長 400〔nm〕から1〔μm〕でなる可視
波長域から近赤外波長域の光に対して、偏光作用する偏
光光学素子において、 屈折率n1 の透明基板上に形成されている金属グリツド
で、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みh、厚み 0.5
hにおける幅b、グリツド周期d、底面と側面のなす角
s、上記金属グリツドのグリツド間の屈折率n2 及び上
記金属グリツド上部の屈折率n3 として 【数1】 の条件を満たすことを特徴とする偏光光学素子。 - 【請求項2】上記グリツド周期dは、 使用する光の波長λに対して 【数2】 の条件を満たすことを特徴とする請求項1に記載の偏光
光学素子。 - 【請求項3】上記金属グリツドは、 高反射率金属でなることを特徴とする請求項1に記載の
偏光光学素子。 - 【請求項4】波長 400〔nm〕から1〔μm〕でなる可視
波長域から近赤外波長域の光に対して、偏光作用する偏
光光学素子において、 屈折率n1 の透明基板上に形成されている金属グリツド
で、各グリツドの断面形状を略矩形、厚みh、厚み 0.5
hにおける幅b、グリツド周期d、底面と側面のなす角
s、上記金属グリツドのグリツド間の屈折率n2 及び上
記金属グリツド上部の屈折率n3 として 【数3】 の条件を満たすことを特徴とする偏光光学素子。 - 【請求項5】上記グリツド周期dは、 使用する光の波長λに対して 【数4】 の条件を満たすことを特徴とする請求項5に記載の偏光
光学素子。 - 【請求項6】上記金属グリツドは、 高反射率金属でなることを特徴とする請求項5に記載の
偏光光学素子。 - 【請求項7】上記金属グリツドは、 S偏光共鳴波長λres が使用する光の波長λに対して 【数5】 の条件を満たすことを特徴とする請求項5に記載の偏光
光学素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7351448A JPH09178943A (ja) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | 偏光光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7351448A JPH09178943A (ja) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | 偏光光学素子 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005121476A Division JP3874301B2 (ja) | 2005-04-19 | 2005-04-19 | 偏光光学素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09178943A true JPH09178943A (ja) | 1997-07-11 |
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ID=18417363
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7351448A Abandoned JPH09178943A (ja) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | 偏光光学素子 |
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JP (1) | JPH09178943A (ja) |
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