一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器的製作方法
2023-05-25 18:06:21 2
專利名稱：一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學器件，特別涉及一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器。
背景技術：
圓偏振器是光學領域的一種重要偏振元器件，它在偏振分光、彩色顯示、雷射技術 等領域得到了令人矚目的應用。目前在光學領域，通常做法是利用線偏振片和四分之一波 片兩個分離元器件構成圓偏振器，其工作原理是光束通過線偏振片後成為線偏振光，然 後再以一定偏振角度通過四分之一波片，最終得到圓偏振光。這種結構的缺點非常明顯 1.工作波長範圍較窄，這主要是因為四分之一波片的工作波長範圍較窄，因此該結構不能 得到寬波長範圍的圓偏振光；2.該結構使用的是兩個分離光學元件，因此器件尺寸大，不 易集成。利用單螺旋狀金屬線柵獲得圓偏振光是在2009年9月由德國卡爾斯魯厄大 學的研究人員首先發現的，見 Justyna K. Gansel,等.「Circular Polarizer Gold HelixPhotonic Metamaterial as Broadband，」 Science 325,1513(2009)。他們所提出的 器件為單螺旋結構，材料為金；由於所提出的螺旋狀金屬線柵尺寸過大，所使用的材料金在 可見光、近紅外範圍內的光學特性受到限制，工作波長範圍在3 6微米的紅外波段，根本 不能適用於可見光、近紅外波段。
發明內容
本發明提出一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器，目的在於使其在可見光 近紅外波 段具有較寬的工作波長範圍，且器件尺寸小、結構緊湊、易於集成。本發明的一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器，在基板上沉積有N個均勻分布的螺旋 狀的金屬線柵，其特徵在於所述基板為石英玻璃；所述金屬線柵為兩個互相纏繞的雙螺旋結構的螺旋線柵， 兩個螺旋線柵材料均為金屬鋁，兩個螺旋線柵在基板上的起始點分處螺旋直徑兩端，螺旋 方向相同；各螺旋線柵直徑40 60納米，螺旋狀的螺旋周期數大於等於2周，螺旋周期間 距150 400納米，螺旋直徑100納米，金屬線柵間距190 290納米，N≥10∧6本發明的雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器的製備方法，包括下述步驟(1).在基板表面沉積導電膜；(2).在導電膜上旋塗光刻膠；(3).通過深紫外相干刻蝕，在光刻膠中形成幾十納米量級N個均勻分布的雙螺旋 狀空氣隙；(4).通過電化學沉積，在N個均勻分布的雙螺旋狀空氣隙中沉積金屬鋁材料，形 成雙螺旋狀的金屬線柵；(5).除去雙螺旋狀的金屬線柵之間的光刻膠。在製備過程中，步驟(3)和步驟(4)是比較重要的兩個步驟。形成幾十納米線寬的結構對於一般光刻來講有一定難度，2007年美國一研究小組成功的運用深紫外相干 刻蝕的方法得到了大範圍線寬小於40納米的金屬線柵結構，見J. J. Wang, F. Walters, Χ. Μ. Liu,P. Sciortino,and X. G. Deng,"High-performance,large area,deep ultraviolet to infrared polarizers based on 40nm line/78nm spacenanowire grids，，，Appl. Phys. Lett. 90,61104(2007)；這為步驟(3)的實施提供了依據。另外，運用電化學沉積的 方法在螺旋結構中沉積金屬材料也是完全可行的，見Justyna K. Gansel，等.「Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterialas Broadband,，，Science 325, 1513(2009)。通過調整和優化雙螺旋狀金屬納米線柵的參數，如螺旋線柵直徑、螺旋周期數 等，本發明工作波長範圍可以達到0.44 1.08μπι，偏振消光比大於31 1，偏振光透過率 大於56%，與背景技術部分對比文獻中的單螺旋狀圓偏振器相比，本發明能夠獲得寬50% 的工作帶寬，並能夠工作在波長更短的可見光、近紅外光譜範圍，且器件尺寸小、結構緊湊、 易於集成，適用於偏振分光、彩色顯示、雷射技術等領域。
圖1(a)為本發明的結構示意圖；圖1(b)為本發明的俯視圖；圖1(c)為本發明的側視圖；圖2為實施例1的光學特性曲線；圖3為實施例2的光學特性曲線；圖4為實施例3的光學特性曲線；圖5為實施例4的光學特性曲線；圖6為實施例5的光學特性曲線；圖7為實施例6的光學特性曲線；圖8(a) 圖8(e)為本發明的製備方法工藝流程圖。
具體實施例方式如圖1 (a)、圖1 (b)、圖1 (c)所示，本發明在基板1上沉積有N個均勻分布的螺旋狀 的金屬線柵2，所述基板1為石英玻璃；所述金屬線柵為兩個互相纏繞的雙螺旋結構的螺旋 線柵，兩個螺旋線柵材料均為金屬鋁，兩個螺旋線柵在基板上的起始點分處螺旋直徑兩端， 螺旋方向相同；各螺旋線柵直徑SD為40 60納米，螺旋狀的螺旋周期數CN大於等於2周， 螺旋周期間距CS為150 400納米，螺旋直徑⑶為100納米，金屬線柵間距CW為190 290納米，N彡IO60用時域有限差分(FDTD)算法分別模擬左旋圓偏光、右旋圓偏光經過本發明時，根 據在0、1. 25飛秒、2. 5飛秒、3. 75飛秒、5飛秒等不同時刻光場的分布，可看出左旋圓偏振光 在經過本發明偏振器後，大部分能量被反射掉了，而右旋圓偏振光的大部分能量則可以順 利的通過本發明偏振器。實施例1 石英玻璃基板1上沉積有IO6個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為40納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於3，螺旋周期間距CS為200納米，螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為190納米；圖2所示為實施例1的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏 振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線 為消光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為0. 44-1.08μπι、56%、 31 I0
實施例2 石英玻璃基板1上沉積有IO6個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為60納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於3，螺旋周期間距CS為200納米， 螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為190納米；圖3所示為實施例2的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏 振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線 為消光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為0. 46-1. 13μπι、49%、 25 I0實施例3 石英玻璃基板1上沉積有IO7個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為40納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於2，螺旋周期間距CS為200納米， 螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為190納米；圖4所示為實施例3的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏 振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線 為消光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為0. 47-1.02μπι、64%、 20 1。實施例4 石英玻璃基板1上沉積有IO7個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為40納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於3，螺旋周期間距CS為200納米， 螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為290納米；圖5所示為實施例4的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏 振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線 為消光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為0. 54-0. 89μπι、77%、 27 1。實施例5 石英玻璃基板1上沉積有IO7個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為40納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於3，螺旋周期間距CS為150納米， 螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為190納米；圖6所示為實施例5的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏 振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線 為消光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為0. 47-1.05μπι、55%、 18 1。實施例6 石英玻璃基板1上沉積有IO7個均勻分布的雙螺旋狀的鋁金屬線柵2， 螺旋線柵直徑SD為40納米，螺旋狀的螺旋周期數CN等於3，螺旋周期間距CS為400納米， 螺旋直徑⑶為100納米，鋁金屬線柵間距CW為190納米；圖7所示為實施例6的光學特性曲線，圖中，空心矩形框描繪的曲線為右旋圓偏振 光透過率，空心三角形框描繪的曲線為左旋圓偏振光透過率，黑色實心框描繪的曲線為消 光比；本實施例工作波長範圍、平均透過率、平均消光比分別為1. 1-1. 3μπι、68%、454 1。
圖8(a) 圖8(e)所示為本發明的製備方法工藝流程圖。圖8 (a)在基板表面沉 積導電膜；圖8(b)在導電膜上旋塗光刻膠；圖8 (c)通過深紫外相干刻蝕，在光刻膠中形 成幾十 納米量級N個均勻分布的雙螺旋狀空氣隙；圖8(d)通過電化學沉積，在N個均勻分 布的雙螺旋狀空氣隙中沉積金屬鋁材料，形成雙螺旋狀的金屬線柵；圖8(e)除去雙螺旋 狀的金屬線柵之間的光刻膠，最終形成雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器。
權利要求
一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器，在基板上沉積有N個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵，其特徵在於所述基板為石英玻璃；所述金屬線柵為兩個互相纏繞的雙螺旋結構的螺旋線柵，兩個螺旋線柵材料均為金屬鋁，兩個螺旋線柵在基板上的起始點分處螺旋直徑兩端，螺旋方向相同；各螺旋線柵直徑40～60納米，螺旋狀的螺旋周期數大於等於2周，螺旋周期間距150～400納米，螺旋直徑100納米，金屬線柵間距190～290納米，N≥106。
全文摘要
一種雙螺旋狀金屬線柵圓偏振器，屬於光學器件，目的在於使其在可見光～近紅外波段具有較寬的工作波長，且器件尺寸小、結構緊湊、易於集成。本發明的圓偏振器，在石英玻璃基板上沉積有N個均勻分布的螺旋狀的鋁金屬線柵，鋁金屬線柵為兩個互相纏繞的雙螺旋結構的螺旋線柵，兩個螺旋線柵在基板上的起始點分處螺旋直徑兩端，螺旋方向相同；各螺旋線柵直徑40～60納米，螺旋狀的螺旋周期數大於等於2周，螺旋周期間距150～400納米，螺旋直徑100納米，金屬線柵間距190～290納米，N≥106。本發明工作波長範圍0.44～1.08μm，偏振消光比大於31∶1，偏振光透過率大於56％，適用於偏振分光、顯示、雷射等領域。
文檔編號G02B5/30GK101852884SQ20101021381
公開日2010年10月6日 申請日期2010年7月1日 優先權日2010年7月1日
發明者楊振宇, 趙茗 申請人:華中科技大學