[發明專利]螺旋狀金屬線柵圓偏振器

無效

• 申請號: 201010607551.6
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102073088A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 楊振宇;陸培祥;趙茗
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 方放

技術領域

本發明屬于光學器件，特別涉及一種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、激光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：光束通過線偏振片后成為線偏振光，然后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.工作波長范圍較窄，這主要是因為四分之一波片的工作波長范圍較窄，因此該結構不能得到寬波長范圍的圓偏振光；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?Helix?Photonic?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，這種單螺旋結構器件的信噪比僅能達到10dB左右；而且由于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、近紅外范圍內的光學特性受到限制，工作波長范圍在3～6微米的紅外波段，根本不能適用于可見光、近紅外波段。

發明內容

本發明提出一種螺旋狀金屬線柵圓偏振器，目的在于使其在可見光～近紅外波段具有較高的信噪比，且器件尺寸小、結構緊湊、易于集成。

本發明的一種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，所述基板為石英玻璃；其特征在于：

所述金屬線柵為M個互相纏繞的螺旋線柵，各螺旋線柵材料均為金屬鋁，各螺旋線柵在基板上的起始點等間距的分布在同一圓周上，螺旋方向相同；各螺旋線柵直徑20～30納米，螺旋周期數等于3周，螺旋周期間距200納米，螺旋直徑100納米，金屬線柵間距190納米，M≥3，N≥10⁶。

本發明螺旋狀金屬線柵圓偏振器的制備方法，包括下述步驟：

(1).在基板表面沉積導電膜；

(2).在導電膜上旋涂光刻膠；

(3).通過深紫外相干刻蝕，在光刻膠中形成幾十納米量級N個均勻分布的空氣隙，每個空氣隙為M個互相纏繞的螺旋氣隙；各螺旋氣隙在基板上的起始點等間距的分布在同一圓周上，螺旋方向相同；

各螺旋氣隙直徑20～30納米，螺旋周期數等于3周，螺旋周期間距200納米，螺旋直徑100納米，空氣隙間距190納米，M≥3，N≥10⁶；

(4).通過電化學沉積，在N個均勻分布的空氣隙中沉積金屬鋁材料，每個空氣隙內形成M個互相纏繞的螺旋線柵；

(5).除去各空氣隙內螺旋線柵之間的光刻膠。

在制備過程中，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于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范圍線寬小于40納米的金屬線柵結構，見J.J.Wang，F.Walters，X.M.Liu，P.Sciortino，and?X.G.Deng，“High-performance，large?area，deepultraviolet?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?PolarizerGold?Helix?Photonic?Metamaterial?as?Broadband，”Science?325，1513(2009)。

通過調整和優化多螺旋狀金屬納米線柵的參數，如：螺旋線柵直徑、螺旋線柵數等，本發明信噪比可以達到37.7dB，工作波長范圍可以達到0.49-1.34μm，偏振消光比大于270∶1，偏振光透過率大于67％，與背景技術部分對比文獻中的單螺旋狀圓偏振器相比，本發明能夠獲得高兩個數量級的信噪比，并能夠工作在波長更短的可見光、近紅外光譜范圍，且器件尺寸小、結構緊湊、易于集成，適用于偏振分光、彩色顯示、激光技術等領域。

附圖說明

圖1為本發明的立體示意圖；

圖2為本發明的俯視圖；

圖3為本發明的側視圖；