[發(fā)明專利]金屬光柵偏振分束器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410066616.9
• 申請(qǐng)日: 2014-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN103777274A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉志成;鄭君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/126
• 分類號(hào): G02B6/126;G02B6/13
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術(shù)領(lǐng)域:

本專利涉及偏振光分束器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于金屬光柵、利用表面等離子體波導(dǎo)截止效應(yīng)產(chǎn)生的角度可調(diào)、橫電場(chǎng)反射、橫磁場(chǎng)衍射的寬光譜偏振光分束光柵。屬于光學(xué)領(lǐng)域中的偏振分束器件。

背景技術(shù):

偏振光被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和應(yīng)用中，比如光通訊、光存儲(chǔ)、和光傳感等。偏振光分束器可以將入射的非偏振光分成偏振方向相互垂直的兩束光。進(jìn)一步的，具有寬的入射角度范圍和寬工作光譜的大角度、寬帶偏振光分束器更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)偏振光分束器通常由雙折射晶體或多層介質(zhì)膜等具有二向色性的物質(zhì)構(gòu)成，它們都對(duì)光的入射角度敏感，而且受到實(shí)際晶體和介質(zhì)的折射率的限制。另外，晶體偏振分光器件體積大、價(jià)格貴；多層介質(zhì)膜偏振分光器件加工復(fù)雜，工作帶寬小，這些都不能滿足當(dāng)前光學(xué)器件高效化、小型化、集成化的要求。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，具有優(yōu)良偏振特性的亞波長(zhǎng)光柵受到人們廣泛關(guān)注和研究，它具有體積小、易集成、和設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)。

由于介質(zhì)折射率的限制，介質(zhì)光柵通常工作在紅外和中紅外光波領(lǐng)域。它的偏振效應(yīng)是由光柵對(duì)TM（電場(chǎng)垂直于光柵方向）和TE（電場(chǎng)平行于光柵方向）偏振光的等效折射率不同而引起的。在干涉效應(yīng)的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波長(zhǎng)有關(guān)的特定的方向上。所以，介質(zhì)光柵只能做成窄帶和特定入射角度的偏振分束器件。

而且不論介質(zhì)光柵還是金屬光柵，人們研究的大多數(shù)是其透射性質(zhì)，從而應(yīng)用到透射式偏振片。中國(guó)專利CN1804667“1550納米波長(zhǎng)的石英透射偏振分束光柵”給出了一個(gè)用于1550納米波長(zhǎng)的石英透射偏振分束光柵的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。Y.Ekinci等人（“Bilayer?Al?wire-grids?as?broadband?andhigh-performance?polarizers雙層鋁線柵實(shí)現(xiàn)寬譜高性能偏振器”,Y.Ekinci,H.Solak,C.David,and?H.Sigg,Optics?Express14,2323(2006)）增研究過100nm周期的雙層金屬線柵對(duì)可見光的透射性質(zhì)，TM光的透射率大約50%，TE幾乎不能被透射。由于周期只有100nm，此時(shí)的衍射效應(yīng)已經(jīng)消失。也有少數(shù)關(guān)于反射式光柵偏振片的研究，但都是工作于某個(gè)波長(zhǎng)或很窄的波段，以及某特殊入射角，更沒有考慮到寬光譜衍射和反射偏振分束。C.Lima等人（“Reflecting?polarizing?beam?splitter反射式偏振光分束器”,C.Lima,L.Soares,L.Cescato,and?A.Gobbi,Optics?Letters203,203(1997)）研究了單一波長(zhǎng)633nm的光，以特定角度Littrow角入射到金屬基底的單層金屬光柵的偏振分光情況，同樣是在干涉效應(yīng)的作用下，TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。中國(guó)專利CN102289014B“1053納米波段的金屬介質(zhì)膜反射式偏振分束光柵”也提出一種反射式偏振分束器件，它要在石英基片上依次鍍制銀層、三層膜組成的高反射膜層、和介質(zhì)光柵，由介質(zhì)光柵對(duì)近紅外波段中的1053納米波長(zhǎng)的入射光進(jìn)行和偏振有關(guān)的相位干涉調(diào)制，最后光被反射，得以實(shí)現(xiàn)反射式偏振分光，其TM偏振光被反射，TE偏振光被衍射。

總之，之前對(duì)光柵偏振特性的研究都是利用光波的干涉效應(yīng)，這就不可避免窄工作帶寬和特定入射角度。同時(shí)，從分光效果上看，都是TE被衍射，TM被反射。而沒有報(bào)道TM被衍射的同時(shí)TE被反射。要得到寬帶和大角度入射范圍的偏振分束器，需要利用金屬光柵。金屬光柵能夠激發(fā)和支持表面等離子體波，并且只有TM偏振光才能激發(fā)表面等離子體波。因此，任意波長(zhǎng)的TM偏振光都可以以表面等離子體導(dǎo)波模式進(jìn)入到金屬光柵中的狹縫；小于某個(gè)截止波長(zhǎng)的TE偏振光可以以正常的導(dǎo)波模式進(jìn)入金屬光柵，大于截止波長(zhǎng)的TE光無法進(jìn)入光柵。所以TM偏振光可以感受到光柵結(jié)構(gòu)，從而在合適的光柵周期下被衍射。大于截止波長(zhǎng)的TE偏振光感受不到光柵結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于入射到一塊金屬平面上，從而幾乎被完全反射。具體原理見已經(jīng)發(fā)表的文章：J.Opt.Soc.Am.B,Vol.28,No.3,2011,502-506。它完全區(qū)別于傳統(tǒng)的晶體、多層膜、或者介質(zhì)光柵。以此為基礎(chǔ)可以制備成的表面等離子體偏振分束器，不僅在性能上有寬譜、廣角的特點(diǎn)，而且制備工藝簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模生產(chǎn)，易于集成化。

發(fā)明內(nèi)容:

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬光柵偏振分束器及其制備方法，具有大角度入射范圍和寬工作波段。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：