專利名稱：用于可見光譜的寬帶線柵偏振器的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及用于電磁光譜可見光部分的偏振光學元件。更特別地，本發(fā)明涉及寬帶線柵偏振器，有效地透過特定偏振態(tài)的光，同時有效地反射偏振態(tài)與該特定偏振態(tài)垂直的光。
2.現(xiàn)有技術(shù)使用平行導線陣列對無線電波進行偏振可以追溯到110年以前。線柵通常為由透明襯底所支承的細平行導體陣列的形式，并且已經(jīng)使用線柵作為電磁光譜紅外部分的偏振器。
確定線柵偏振器性能的關鍵因素是平行光柵元件的中心到中心的間距，即周期，與入射輻射的波長之間的關系。如果與波長相比光柵間距或周期較長，該光柵起衍射光柵的作用，而不是偏振器的作用，根據(jù)已知原則對兩個偏振態(tài)進行衍射(不必具有相同效率)。當光柵間距或周期遠小于波長時，光柵起到偏振器的作用，反射偏振態(tài)平行于光柵元件的電磁輻射，并透過垂直偏振態(tài)的輻射。
光柵周期處于大約半個波長到兩倍波長范圍內(nèi)的過渡區(qū)域，其特點在于光柵的透射和反射特性的突變。特別是，在任意給定入射角處在一個或多個特定波長處，對于偏振態(tài)與光柵元件垂直的光，反射率突然增加，相當于透射率的減小。伍德(Wood)在1902年首先報告了這種效應(Philosophical Magazine，1902年9月)，通常將這種效應稱為“伍德異?！?Wood’s Anomalies)。后來，Rayleigh分析了伍德的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生更高衍射級的波長與角度相結(jié)合時，就發(fā)生了這種異常(Philosophical Magazine，vol.14(79)，pp.60-65，1907年7月)。Rayleigh推導出預測異常位置的公式(在文獻中也常被稱為“Rayleigh諧振”)
λ＝ε(n±sinΘ)/k(1)其中ε為光柵周期；n為光柵周圍介質(zhì)的折射率；k為整數(shù)，對應于所發(fā)生的衍射項的級次；并且λ和Θ為發(fā)生諧振處的波長和入射角(均在空氣中進行測得)。
對于形成在介電襯底一側(cè)的光柵，上面公式中的n可以或者等于1，或者等于襯底材料的折射率。注意下面的公式給出了發(fā)生諧振的最長的波長λ＝ε(n+sinΘ)(2)其中n設定為襯底的折射率。
角度依賴性的影響在于隨著角度的增加，透射區(qū)域向更長波長偏移。當想要把偏振器用做偏振分束器或偏振旋轉(zhuǎn)反射鏡時，這一點是很重要的。


圖1表示一基本的現(xiàn)有技術(shù)的線柵偏振器，并且定義了將用于現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的一系列說明例中的術(shù)語。線柵偏振器100包括大量由介電襯底120支承的平行的導電電極110。該裝置的特征在于導體的間距或周期表示為p；單個導體的寬度表示為w；導體的厚度表示為t。光源132產(chǎn)生的光束130，以相對法線為Θ角入射到偏振器上，入射平面垂直于導電元件。線柵偏振器100將這束光分成一鏡面反射分量140和非衍射透射分量150。對于比公式2給出的最長諧振波長短的波長，還將存在至少一個更高級次的衍射分量160。使用常規(guī)對S和P偏振態(tài)的說明，S偏振態(tài)的光其偏振矢量與入射面垂直，從而與導電元件平行。相反，具有P偏振態(tài)的光其偏振矢量與入射面平行，從而與導電元件垂直。
通常，線柵偏振器將反射其電場矢量平行于柵線的光，透過其電場矢量與柵線垂直的光，不過如此處所討論的，入射平面可以與柵線垂直或不垂直。此處所選擇的幾何結(jié)構(gòu)是為了說明清楚起見。
理論上，線柵偏振器對于一個偏振態(tài)的光如S偏振光來說起理想反射鏡的作用，并且對于另一偏振態(tài)如P偏振光來說將完全透明。不過，實際上即使使用反射性最大的金屬作為反射鏡，也會吸收部分入射光，僅反射90％至95％的入射光，由于表面反射，普通無色玻璃不能透過100％的入射光。
圖2表示計算而得的入射角Θ等于45°的現(xiàn)有技術(shù)的線柵偏振器的非衍射，即零級透射和反射。使用可以從Grating Solver發(fā)展公司(P.O.Box353，Allen，Texas)買到的Gsolver光柵分析軟件工具計算出這些數(shù)據(jù)。該軟件工具執(zhí)行精確耦合波分析和模擬法。分析方法和結(jié)果與文獻中給出的那些報告相似(“用于可見光和紅外光的層狀金屬透射光柵的耦合波分析”，Journal of the Optical Society of America A，Vo.12，No.5，1995年5月，第1118-1127頁)。該分析假設鋁柵的周期p＝0.2μm，導體寬度w＝0.1μm，導體厚度t＝0.1μm，襯底折射率n＝1.525。注意在大約0.34μm和大約0.445μm波長處出現(xiàn)兩個諧振，如公式1所預計的。并且還注意到這些諧振僅對P偏振態(tài)偏振器特性產(chǎn)生重要的影響。
對于S方向偏振的入射光，現(xiàn)有技術(shù)偏振器的性能接近于理想。在從0.4μm到0.7μm的可見光譜上，對于S偏振態(tài)其反射率大于90％。在這個波長帶上，少于2.5％的S偏振光被透過，其余的光被吸收。除了小的透射分量以外，對于S偏振態(tài)線柵偏振器的特性與連續(xù)鋁反射鏡的特性相似。
對于P偏振態(tài)，由低于0.5μm波長處的諧振現(xiàn)象來控制線柵的透射和反射效率。在大于0.5μm的波長處，對于P偏振光線柵結(jié)構(gòu)作為損耗介電層。在0.5μm至0.7μm的波長帶上，該層中的損失和表面的反射一起將P偏振光的透射限制到大約80％。
圖3表示計算得到的不同類型的現(xiàn)有技術(shù)線柵偏振器的性能，如Tamada在美國專利5,748,368中所描述的。在這種情形中，使用一種折射率匹配液體或粘合劑將格柵結(jié)構(gòu)層疊在兩個襯底之間，使得該格柵被恒定折射率的介質(zhì)所環(huán)繞。在這個例子中，n＝1.525并且其他光柵參數(shù)與前面的例子相同，沒有改變。這種線柵結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出在大約0.52μm處的單一諧振，如公式1所預計的。注意存在一個從大約0.58μm到0.62μm的窄波長區(qū)域，在這個區(qū)域上對于P偏振態(tài)反射率幾乎接近零。美國專利5,748,368描述了一種線柵偏振器，利用這種效應實現(xiàn)具有高消光比的窄帶寬線柵偏振器。Tamada專利說明書中所給出的例子使用周期為550nm光柵，取決光柵厚度、導體寬度和形狀，以及入射角，產(chǎn)生波長從800到950nm的諧振。注意Tamada專利對于偏振方向采用獨特的定義(P偏振定義為平行于光柵元件，從而垂直于傳統(tǒng)定義中的入射表面)。Tamada利用的諧振效應不同于其位置由公式1預計出的諧振。這兩種諧振可以是重合的，不過不必要重合。Tamada利用這第二種諧振。另外，可能產(chǎn)生薄膜干涉效應。對于垂直偏振光反射率小于幾個百分比的偏振器的帶寬一般為中心波長的5％。這種類型的窄波帶偏振器可以應用于光存儲器和通信系統(tǒng)，眾多的可見光系統(tǒng)，如液晶顯示，要求偏振光學元件在從400nm至700nm的可見光譜范圍具有均勻的特性。
再次參考圖2所示的數(shù)據(jù)，可以看出對寬波帶偏振器的必然需要在于最長的波長諧振點必須被抑制或轉(zhuǎn)移到比期望使用的光譜短的波長處。再參考公式2，可以看出可以使用三種方法來減小最長波長諧振點的波長。首先，可以減小光柵周期ε。不過，減小光柵周期增加了光柵結(jié)構(gòu)的制造難度，尤其是由于必須保持光柵元件的厚度以便保證所反射的偏振光的足夠的反射率。第二，可以將入射角限制為近似垂直入射。不過對入射角的約束將極大地減小偏振裝置的應用，使該裝置不能用于如投影液晶顯示裝置中，投影液晶顯示裝置需要以45°為中心的寬角度帶寬。第三，可以降低襯底的折射率。不過，適用于偏振器裝置大量制造的僅有的比較經(jīng)濟的襯底是幾種薄片玻璃，如Corning型1737F或Schott型AF45，所有這些玻璃的折射率在可見光譜上在1.5至1.53之間變化。
因此，需要一種改進的線柵偏振器，尤其是用于要求寬波長帶寬的可見光系統(tǒng)中。另外，需要這樣一種用在大約45°入射角的改進的線柵偏振器。特別是，需要一種偏振器結(jié)構(gòu)，其中可以消除最長波長諧振點或?qū)⒃撟铋L波長諧振點轉(zhuǎn)移到更短的波長。
發(fā)明目的和概述本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進的線柵偏振器，其在整個可見光譜上能夠提供高透射和反射效率。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種線柵偏振器，當用于寬入射角范圍時能夠提供高效率。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種用來制造這種偏振器的方法。
本發(fā)明的這些和其他目的以及優(yōu)點可以在偏振器裝置中實現(xiàn)，該偏振器裝置包括支承在一襯底上的平行導電元件的格柵，具有一低折射率區(qū)域，并且控制格柵元件與襯底之間的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該低折射率區(qū)域包括從襯底延伸的肋?？梢允褂酶駯旁鳛樽詫恃谀?，通過在襯底中蝕刻狹槽來形成肋。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，該低折射率區(qū)域包括一個或多個插入在格柵元件與襯底之間的低折射率介電薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，該格柵元件由通過蝕刻形成的肋或通過插入在格柵元件與襯底之間的一個或多個介電薄膜來支承。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種用來制造這種偏振器裝置的方法。
考慮到下面結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明的這些和其他目的、特征、優(yōu)點和其他方面對于本領域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
圖2是表示現(xiàn)有技術(shù)線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖3是表示現(xiàn)有技術(shù)線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖4為本發(fā)明最佳實施例的線柵偏振器的截面圖。
圖4a為本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的局部截面圖。
圖4b為本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的局部截面圖。
圖4c為本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的局部截面圖。
圖5為表示對于P偏振態(tài)，本發(fā)明最佳實施例的線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖6為表示對于P偏振態(tài)，本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖7為本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的截面示意圖。
圖8為表示對于P偏振態(tài)，本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖9為本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的截面示意圖。
圖10為表示對于P偏振態(tài)，本發(fā)明另一實施例的線柵偏振器的波長與透射率和反射率之間關系的曲線圖。
圖11為制造本發(fā)明線柵偏振器的最佳方法的工序的截面示意圖。
圖12為制造本發(fā)明線柵偏振器的另一種方法的工序的截面示意圖。
發(fā)明詳細描述現(xiàn)在將參照附圖進行說明，其中將對本發(fā)明的多個元件給出數(shù)字標記，將討論本發(fā)明，使本領域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。
本發(fā)明是一種寬帶寬線柵偏振器，包括一平行的導電元件的陣列，通過具有低折射率和厚度受控的區(qū)域?qū)щ娫c支承襯底隔開。在偏振器裝置中，將線柵與襯底分隔開的低折射率區(qū)域起兩個作用。第一，低折射率的存在將最長的波長諧振點移到更短的波長處。第二，作為一層或多層厚度受控設計的低折射率區(qū)域，可以實現(xiàn)從偏振器所反射的P偏振光分量的減少。
如圖4所示，說明了本發(fā)明最佳實施例的線柵偏振器，一般由400表示。偏振器400包括多個平行、細長的由透明襯底410支承的導電元件420。襯底410具有第一表面414，折射率為nS。如下面所述，襯底可以是玻璃，可以具有大約為1.5的折射率nS。
所使用的波長確定了元件的尺寸以及元件布置的尺寸，并且被設計為用于寬的或整個可見光光譜。元件420相當長且細。最好是，每個元件420的長度通常大于可見光的波長。從而，元件420的長度至少為大約0.7μm(微米)。不過一般長度可以更長。
另外，元件420通常平行配置，元件的間距或周期P小于光的波長。從而，間距將小于0.4μm(微米)。如上所述，減小對于給定入射角發(fā)生諧振的最長波長的一種方法，是減小周期。不過減小周期增加了制造難度。因此，間距P最好近似等于二分之一的光波長，或者近似0.2μm。另外，應該注意具有較長周期(大于近似兩倍光波長或1.4μm)的格柵起衍射光柵的作用；具有較小周期的格柵(小于近似半個光波長或0.2μm)起偏振器的作用；周期處于過渡區(qū)域中(在大約0.2至1.4μm之間)的格柵也起衍射光柵的作用，并且特點在于突變或稱為諧振的異常。如上所述，由于在可見光譜范圍內(nèi)多個波長處發(fā)生異常，以在可見光譜范圍內(nèi)發(fā)生諧振為特征的現(xiàn)有技術(shù)裝置具有窄的工作范圍。在理解線柵的行為時，該過渡區(qū)域是一個重要的概念。為了在所需要使用的光譜上獲得寬帶寬形成，必須將本發(fā)明的寬帶寬偏振器設計成處在該過渡區(qū)域之外。從而，這種過渡區(qū)的界限用于限定本發(fā)明線柵周期的上限。
正如所指出的那樣，隨著入射角的增加，公式1中給出的角度依賴性將過渡區(qū)移動到較長波長。通過減小間距可以額外地增加這種移動量。在垂直入射折射率為1的襯底時，給出過渡區(qū)域近似為0.5λ≤p≤2λ。對于折射率為nS的襯底，并且光相對法線方向成θ角入射，需要將周期的下限減小從公式1導出的倍數(shù)0.5λ(ns+sinθ)≤p]]>對于折射率為1.7的非常高折射率的玻璃以及75°的角度，公式3為019λ≤p。所以對于任何入射角和任何用于可見光譜的傳統(tǒng)襯底材料，有效過渡區(qū)域近似限制為0.19λ≤p≤2λ。
另外，每個元件420的寬度W可以在10％至90％間距P的范圍內(nèi)。元件420的厚度t可以大于大約200A°或20nm，并且由于制造過程中的實際限制，厚度小于大約300nm。另外，元件420最好是均勻或等間隔設置。
可以選擇元件寬度W使得對于特定應用來說，該偏振器的性能最優(yōu)。增加元件相對于間距的寬度，對于平行偏振反射率將增加到接近100％，同時對于垂直偏振反射率將增加到超過0％的理想值。從而，對于透射光，元件寬度與間距的高比值將提供高消光比(由于沒有平行偏振透過)，不過不一定會產(chǎn)生高效率(由于將反射部分垂直偏振光)。相反，元件寬度與間距的低比值對于反射光束將提供高消光比，不過不一定會產(chǎn)生高效率。當元件寬度與間距的比值為40％至60％時，可能會得到最高的由平行光束的反射率和垂直光束的透射率的乘積定義的總效率。
元件420的布置沒有按照比例畫出，為了清楚起見已經(jīng)進行了非常大地夸張。實際上，對肉眼來說元件的排列是不可見的，當不通過極度放大而進行觀察時，顯示為局部鏡面化的表面。元件420可以由任何能夠被形成為寬光譜反射鏡的材料形成，如金屬。最好是，對于可見光應用來說該材料為銀或鋁。
在最佳實施例中，將導電元件420支承在從襯底410或第一表面414延伸的肋430上是比較有利的。肋430的材料可以與襯底410相同，而且可以與襯底一體形成。例如，可以通過使用元件420作為掩模，蝕刻掉襯底410在元件420之間曝光的部分而形成肋430，下面對此進行更加充分地討論。
肋430具有一定的高度或厚度hR，限定了一個通常由434表示的、處于元件420與襯底410或表面414之間的區(qū)域，將元件420與襯底410分開。肋430所產(chǎn)生的區(qū)域434較好是具有一個小于襯底折射率nS的平均折射率nR，或者說肋434和襯底410滿足條件nR＜nS。例如，肋430可以是玻璃，折射率nS為1.525。對等寬度的肋和槽，對于有效介質(zhì)折射率使用Bruggeman的方法〔Ann.Phys(Leip.)，Vol.24，pp.636(1935)〕，nR的值大約為1.41。
區(qū)域434具有由tR所表示的厚度，在最佳實施例中該厚度由肋430的高度hR限定。元件420與襯底410或表面414分開等于區(qū)域厚度tR的距離?？梢愿淖兝?30的高度hR或區(qū)域434的厚度tR來調(diào)節(jié)偏振器400的性能。將元件420從襯底410或表面414分開，并且插入一個具有比襯底410的折射率低的區(qū)域434，可以有利地增加較短波長處偏振器410的p偏振透射效率，減小可使用偏振器410的最小波長，或者將最長諧振點移動到更短波長，如下面更充分地討論的那樣。
另外，肋430具有可以具有矩形或正方形的截面形狀，如440所示，或者可以通常為梯形，如444所示。梯形肋444可以在肋444之間形成局部V-形槽448。肋430的形狀還影響偏振器410的效率，如下面更完全討論的那樣。如圖4b所示，肋452之間槽450的底面可以是V-形的。另外，如圖4c所示，元件460可以比肋462更寬，或者襯底468中的槽464可以比元件460之間的槽470更寬?；蛘撸鐖D4a所示，元件480可以比肋482更窄，或者襯底486中的槽484可以比元件480之間的間隔488更窄。
圖5表示對于四個不同肋高度hR或區(qū)域厚度tR，即0.005，0.01，0.04和0.1μm，關于現(xiàn)有技術(shù)，計算得到的入射光束的波長與圖4中偏振器裝置410的p偏振態(tài)透射率之間的關系。分析假設與前面的例子相似光柵間距或周期p＝0.2μm，導體寬度w＝0.1μm，導體厚度t＝0.1μm，入射角＝45°，襯底折射率＝1.525。所選擇的襯底折射率代表可得到的適度成本的玻璃片材料的特征，包括麻粒(Corning)型1737和肖特(Schott)型AF45。該分析假設通過各向異性蝕刻導電元件的之間襯底形成矩形截面的肋。
如圖5所示，0.005與0.10μm之間的肋高度hR或區(qū)域厚度tR明顯地降低了該裝置可用的最小波長。注意0.04μm高的肋還改善了整個可見光譜上偏振器裝置的透射效率。
重要的是在圖5中注意到，所描述的從0.005μm到0.1μm的每個蝕刻深度提高了本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)的性能。值得注意的是，對于形成的特定線柵偏振器結(jié)構(gòu)，如0.005μm那樣小的槽深度如何極大地影響藍光中更短波長處的性能。已經(jīng)在多種相似計算和原始實驗中觀察到這種結(jié)果，在更小的周期該效果甚至更加顯著。相信即使肋的高度為1nm至2nm那樣小，對于某些特定線柵偏振器結(jié)構(gòu)來說也證明其是有價值的。
肋的確切形狀對偏振器性能產(chǎn)生次要的影響。圖6表示對于其導電元件支承在梯形的、由襯底中蝕刻的V-型槽分開的肋上的偏振器，計算而得的波長與p偏振透射率之間的關系。梯形肋的影響與前面討論的矩形肋相似，不過沒有矩形肋那么有利。
圖7為本發(fā)明另一實施例的截面圖。偏振器700包括多個平行、細長的，由透明襯底710支承的導電元件720。一個或多個介電材料740層或薄膜插入導電元件720與襯底710之間。層或薄膜740具有厚度tF和折射率nF，限定了區(qū)域厚度為tR的區(qū)域734。為了具有所需的將諧振點移動到較短波長的效果，至少其中一個介電層740必須具有實質(zhì)上小于襯底710折射率nS的折射率nF，或者滿足條件nF＜nS。
圖8表示關于現(xiàn)有技術(shù)，當具有三種不同厚度tF，即0.04、0.1和0.22μm的單層n＝1.38的氟化鎂(MgF2)插入導電元件與襯底之間時，計算得到的波長與線柵偏振器的p偏振透射率之間的關系。該分析的其它假設與前面的例子相同。將MgF2的厚度從0增加到0.22μm，會逐漸地將最長波長諧振點從大約0.445μm移動到0.41μm，從而增加了偏振器裝置的有用帶寬。0.22μm薄膜的存在還改善了整個可見光譜上偏振器的透射性。
以前Auton(應用光學，第6卷第6期，1967年6月，第1023-7頁)描述了在線柵和支承襯底之間使用單層減反射涂層，他將其稱為“光學加膜層(blooming layer)”。他在簡單阻抗匹配公式和理想地導電薄金屬條的基礎上進行的分析表明，該層光學加膜層的折射率應該等于襯底折射率的平方根，并且具有四分之一的感興趣波長的光學厚度。Auton得出結(jié)論，用這種方法制造的線柵的性能與沒有被支承的、特別是對于“僅要求在單一波長下進行操作的激光應用”格柵的性能相同。Auton或者是沒有察覺諧振效應，或者通過假設格柵間距遠小于感興趣的波長而選擇忽略諧振效應。另外，對于光學加膜層來說條件不同于移動或抑制公式1所預計的諧振所需的條件。Auton所建議的阻抗匹配光學加膜層，在窄參數(shù)范圍上將是有效的，而本發(fā)明的實施例在寬參數(shù)范圍上將是有效的。從而Auton沒有給出本發(fā)明第二實施例的教導。
圖9為本發(fā)明另一實施例的截面圖，其中偏振器裝置900包括由肋940支承的導電元件920。肋940可以通過蝕刻曝露在導電元件920之間的一個或多個介電層944、甚至襯底910而形成。因此，肋940可以由一個或多個膜層944，或者部分膜層944形成，如950和960所示。另外，可以通過多個膜層944來形成肋940。薄膜層944可以是多層相同材料以獲得想要的厚度或者單種材料的高度。薄膜層944還可以是多種不同材料，以便取得不同效果或性能特征。
另外，肋940可以由不同材料的層構(gòu)成，如970所示。其中一層的材料可以與襯底910材料相同，可以與襯底910一體形成。例如，如970所示，其中一層可以與圖4所示上面所描述的肋430相似，限定了部分襯底肋948，構(gòu)成了整條肋940的一部分。從而，可以通過薄膜層944與形成于襯底910中的襯底肋948兩者，通過將薄膜層944沉積在襯底肋948上面來形成肋940，如970所示。如上所述，可以通過對元件920之間的層944和襯底910進行蝕刻而形成肋940。
而且，區(qū)域934由肋940限定，區(qū)域934可以通過薄膜層944，或者通過薄膜層944與襯底肋948形成在薄膜層944中。這種結(jié)構(gòu)可能將低折射率層的效果與構(gòu)成肋的襯底的效果有益地結(jié)合起來。肋940的整個高度hR可能僅是介電層944厚度tF的一部分，如950所示；可能等于介電層944厚度tF，如960所示；或者可能大于介電層944厚度tF，如970所示。因此，如970所示，層944厚度tF與襯底肋948高度hS構(gòu)成了區(qū)域厚度tR和整條肋940的高度hR。襯底肋948成為由襯底肋948與薄膜層944形成的結(jié)合肋940的底層結(jié)構(gòu)，使得在每個襯底肋948上沉積多個薄膜層944。
圖10表示對于所制造的襯底與導電元件之間具有一單層MgF2的偏振器裝置，以及三種不同的襯底肋高度hS與MgF2薄膜厚度tF的組合時，波長與p偏振透射率之間的關系。在兩種情形中，襯底肋高度hS與MgF2薄膜厚度tF是相同的。在第一種情形中，襯底肋高度hS與薄膜厚度tF均為0.04μm，作為0.08μm的肋高度hR和區(qū)域厚度tR。在第二種情形中，襯底肋高度hS與薄膜厚度tF均為0.10μm，作為0.20μm的肋高度hR和區(qū)域厚度tR。在第三種情形中，MgF2薄膜厚度tF為0.22μm，襯底肋高度hS僅為0.04μm，作為0.26μm的區(qū)域厚度tR。與現(xiàn)有技術(shù)的偏振器相比，后者這種組合將50％透射率點從大約0.46μm移動到大約0.41μm，且將可見光譜上的平均偏振器透射率增加了大約6％。
圖11表示用于制造前面圖4所示偏振器裝置的方法。第一步是在襯底1110上形成平行導電元件1120的陣列。可以通過任何幾種眾所周知的方法來形成這些元件1120。例如，Garvin在美國專利4,049,944和Ferrante在美國專利4,514,479中均描述了使用全息干涉光刻術(shù)在光刻膠中形成細光柵結(jié)構(gòu)，然后通過離子束刻蝕將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到下面的金屬薄膜上。Stenkamp(“用于可見光譜區(qū)域的格柵偏振器”，SPIE會刊，第2213卷，第288-296頁)描述了使用直接電子束光刻術(shù)來產(chǎn)生光致刻蝕圖案，然后通過活性離子刻蝕將該圖案轉(zhuǎn)移到金屬薄膜中。還可以使用其它高分辨率光刻技術(shù)，包括超強紫外線光刻和X-線光刻，來產(chǎn)生光致刻蝕圖案。可以使用其它技術(shù)，包括其它刻蝕機制和去除(lift-off)方法，將圖案從抗蝕劑轉(zhuǎn)移到金屬薄膜。用于形成平行導電元件陣列的確切方法不是本發(fā)明的關鍵。
在形成平行導電元件1120之后，第二步是使用該導電元件1120作為掩模來蝕刻襯底1110，從而產(chǎn)生支承導體1120的肋1130?？梢愿鶕?jù)襯底1110的材料，使用適宜化學作用的離子束刻蝕或活性離子刻蝕在襯底1110中蝕刻溝槽。
圖12說明前面在圖7和9中表示的偏振器裝置的制造過程。第一步是在透明襯底1210的一個表面上沉積一層或多層透明介電材料1230。第二步如前所述是形成平行導電元件1220的陣列。第三步是使用導電元件1220作為掩模，通過蝕刻底層1230形成支承導電元件的肋1240。可以將蝕刻深度限制在介電薄膜層1230厚度的一部分，蝕刻深度可以擴展到整個介電薄膜層1230，或者可以按照需要擴展到整個介電薄膜層1230并進入襯底1210。
應當理解，所描述的本發(fā)明實施例僅僅是說明性的，對本領域技術(shù)人員來說可以對其進行變型。例如，盡管本發(fā)明已經(jīng)描述了對于入射角為45°的例子，然而通過適當調(diào)節(jié)偏振器裝置的物理參數(shù)，本發(fā)明同樣適用于其它入射角。此外，本發(fā)明的主要優(yōu)點在于將偏振器裝置的有用帶寬在可見光譜中擴展到更短波長，然而對于用在其它光譜區(qū)域如紅外中，本發(fā)明還可用于改善偏振器裝置的透射性。考慮到與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的設計靈活性顯著提高，本領域技術(shù)人員必然能夠想到其它變型。因此，不能認為本發(fā)明局限于所公開的實施例，而是僅由所附限定。
權(quán)利要求
1.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和折射率的襯底；一在該襯底的第一表面上的區(qū)域，該區(qū)域的折射率小于襯底的折射率；以及設置在該區(qū)域上的、平行、細長的元件陣列；并且其中該陣列具有一種結(jié)構(gòu)并且該元件具有一定尺寸，其與襯底結(jié)合正常情況下在可見光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振效應；其中該具有比襯底折射率低的折射率的區(qū)域?qū)е抡０l(fā)生的諧振效應向更短波長移動，從而擴展了沒有諧振效應發(fā)生的可見波長帶。
2.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該元件的周期處于近似半個可見光波長與兩倍可見光波長之間。
3.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該元件的周期在大約0.076μm至1.4μm之間。
4.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該區(qū)域的厚度在大約0.001至0.3μm之間。
5.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該元件的厚度在大約0.04至0.3μm之間；并且其中該元件為鋁或銀。
6.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該區(qū)域包括從襯底延伸的多條肋。
7.如權(quán)利要求6所述的偏振器，其中該肋與襯底成一個整體，并且該肋由與襯底相同的材料形成。
8.如權(quán)利要求6所述的偏振器，其中每條肋包括至少一層不同于襯底材料的材料。
9.如權(quán)利要求8所述的偏振器，其中該至少一層材料為氟化鎂。
10.如權(quán)利要求9所述的偏振器，其中該至少一層的厚度在大約0.04至0.22μm之間。
11.如權(quán)利要求6所述的偏振器，其中該肋具有矩形截面。
12.如權(quán)利要求6所述的偏振器，其中該肋具有梯形截面。
13.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該區(qū)域包括一層介電材料。
14.如權(quán)利要求13所述的偏振器，其中該層介電材料包括氟化鎂。
15.如權(quán)利要求13所述的偏振器，其中該層厚度在大約0.001至0.3μm之間。
16.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，而且多條肋形成于該至少一層中并且從該至少一層延伸。
17.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該區(qū)域包括形成于該襯底中并從該襯底延伸的多條肋，而且多條肋中的每一條具有至少一層設置在其上的不同于肋材料的材料。
18.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該襯底為玻璃，該區(qū)域包括氟化鎂。
19.如權(quán)利要求1所述的偏振器，其中該襯底的折射率大約為1.5，該區(qū)域的折射率大約為1.4。
20.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和一折射率的透明襯底；一由該襯底支承的平行、細長元件的陣列；和一設置在該元件與襯底之間的區(qū)域，其折射率小于襯底的折射率并且厚度在大約0.001至0.3μm之間。
21.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該元件陣列被配置成與可見光譜中光的電磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振態(tài)的光并透過大部分第二偏振態(tài)的光；并且其中該陣列具有一種結(jié)構(gòu)而且該元件具有一種尺寸，以在可見光譜范圍內(nèi)正常地產(chǎn)生諧振效應，其中大量第二偏振態(tài)的光被反射而不是透射；其中該具有比襯底折射率低的折射率的區(qū)域?qū)е抡０l(fā)生的諧振效應向更短波長移動，從而擴展了沒有諧振效應發(fā)生的可見波長帶。
22.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該元件的周期在大約0.076至0.2μm之間。
23.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該元件的厚度在大約0.04至0.3μm之間；且其中該元件為鋁或銀。
24.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該區(qū)域包括從襯底延伸的多條肋。
25.如權(quán)利要求24所述的偏振器，其中該肋與襯底成一個整體，并且由與襯底相同的材料形成。
26.如權(quán)利要求24所述的偏振器，其中每條肋包括至少一層不同于襯底材料的材料。
27.如權(quán)利要求26所述的偏振器，其中該至少一層材料為氟化鎂。
28.如權(quán)利要求24所述的偏振器，其中該肋具有矩形截面。
29.如權(quán)利要求26所述的偏振器，其中該肋具有梯形截面。
30.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該區(qū)域包括一個介電材料薄膜。
31.如權(quán)利要求30所述的偏振器，其中該介電材料薄膜包括氟化鎂。
32.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，而且多條肋形成于該至少一層中并從該至少一層延伸。
33.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該區(qū)域包括多條形成于該襯底中并從該襯底延伸的肋，而且多條肋中的每一條均具有至少一層設置在其上的不同于肋材料的材料。
34.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該襯底為玻璃，并且該區(qū)域包括氟化鎂。
35.如權(quán)利要求20所述的偏振器，其中該襯底的折射率大約為1.5，該區(qū)域的折射率大約為1.4。
36.一種用于對寬帶寬可見光進行偏振的裝置，該裝置包括一產(chǎn)生具有至少一個可見光譜范圍內(nèi)的波長的光束的光源；一設置在該光束中的透明襯底，該透明襯底具有一第一表面和一折射率；一平行、細長元件的陣列，其與該襯底的第一表面相結(jié)合；以及一設置在該襯底的第一表面與元件之間的區(qū)域，該區(qū)域具有一小于襯底折射率的折射率；并且其中該元件陣列被配置成與可見光譜中光的電磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振態(tài)的光并透過大部分第二偏振態(tài)的光；以及其中該陣列具有一種結(jié)構(gòu)，該元件具有一種尺寸，以與襯底相結(jié)合在可見光譜范圍內(nèi)正常地產(chǎn)生諧振效應，其中大量的第二偏振態(tài)的光被反射而不是透射；并且其中該具有比襯底折射率低的折射率的區(qū)域?qū)е抡０l(fā)生的諧振效應向更短波長移動，從而擴展了沒有諧振發(fā)生的可見波長帶。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該元件的周期近似為該可見光束波長的一半。
38.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該元件的周期在大約0.19λ至0.5λ之間，其中λ為該光束的波長。
39.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該區(qū)域的厚度在大約0.001至0.3μm之間。
40.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該元件的厚度在大約0.04至0.3μm之間；其中該元件為鋁或銀。
41.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該區(qū)域包括多個從襯底延伸的肋。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中該肋與襯底成一個整體，并且由與襯底相同的材料形成。
43.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中每條肋包括至少一層不同于襯底材料的材料。
44.如權(quán)利要求43所述的裝置，其中該至少一層材料為氟化鎂。
45.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中該肋具有矩形截面。
46.如權(quán)利要求41所述的裝置，其中該肋具有梯形截面。
47.如權(quán)利要求36所述裝置，其中該區(qū)域包括一介電材料薄膜。
48.如權(quán)利要求47所述的裝置，其中該介電材料薄膜包括氟化鎂。
49.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，并且多條肋形成于該至少一層中并從該至少一層延伸。
50.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該區(qū)域包括形成于該襯底中并從襯底延伸的多條肋，多條肋中的每一條均具有至少一層設置在其上且與肋材料不同的材料。
51.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該襯底為玻璃，該區(qū)域包括氟化鎂。
52.如權(quán)利要求36所述的裝置，其中該襯底的折射率為大約1.5，該區(qū)域的折射率為大約1.4。
53.一種寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有一第一表面和一折射率的透明襯底；一由該襯底的第一表面支承的平行、細長元件的陣列，其中該陣列滿足條件0.19λ≤p≤2λ，其中p為元件周期，λ為波長；以及一設置在襯底第一表面與元件之間的區(qū)域，該區(qū)域具有一折射率和一處于襯底第一表面與元件之間的厚度，其中該區(qū)域滿足條件nR＜nS和0.001μm≤tR≤0.3μm，其中nR為該區(qū)域的有效折射率，nS為襯底的折射率，tR為襯底第一表面與元件之間的區(qū)域的厚度。
54.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器的制造方法，該方法包括提供一具有一第一表面和一折射率的透明襯底；在該襯底的第一表面上形成一平行元件陣列，該元件限定一掩模；以及蝕刻元件之間的襯底，以產(chǎn)生出從襯底延伸的肋，且限定一折射率小于襯底折射率的區(qū)域。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，還包括在形成元件之前在第一表面上沉積一層介電薄膜；并且其中對襯底的蝕刻還包括蝕刻元件之間的薄膜。
56.如權(quán)利要求54所述的方法，其中形成平行元件陣列包括形成周期在大約0.076至0.2μm之間的元件。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，其中蝕刻該襯底包括將襯底蝕刻一大約0.001至0.3μm之間的深度。
58.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器的制造方法，該方法包括提供一具有一第一表面和一折射率的透明襯底；在第一表面上沉積一層介電薄膜，該介電薄膜的折射率小于襯底的折射率；在該層介電薄膜上形成一平行元件的陣列；以及蝕刻元件之間的介電薄膜層以產(chǎn)生肋。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中蝕刻介電薄膜層還包括蝕刻元件之間的襯底。
60.如權(quán)利要求58所述的方法，其中沉積介電薄膜層包括沉積一層氟化鎂。
61.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有一蝕刻表面的襯底，形成從襯底延伸的多條肋；以及一設置在肋上的平行、細長元件的陣列。
62.如權(quán)利要求61所述的偏振器，其中該襯底被蝕刻大約0.04至0.3μm之間的深度。
63.如權(quán)利要求61所述的偏振器，其中該元件周期在大約0.076至1.4μm之間。
64.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和一折射率的透明襯底；一由襯底支承的平行、細長元件的陣列，該元件的厚度在大約0.04至0.3μm之間，該元件為鋁或銀；以及一設置在元件與襯底之間的區(qū)域，該區(qū)域的折射率低于襯底的折射率。
65.如權(quán)利要求64所述偏振器，其中該元件陣列被配置成與可見光譜中的光的電磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振態(tài)的光并透射大部分第二偏振態(tài)的光；其中該陣列具有一種結(jié)構(gòu)而且該元件具有一種尺寸，以在可見光譜范圍內(nèi)與襯底結(jié)合正常地產(chǎn)生諧振效應，其中大量第二偏振態(tài)的光被反射而不是透射；其中具有低于襯底折射率的該區(qū)域?qū)е抡０l(fā)生的諧振效應向更短波長移動，從而擴展了沒有諧振效應發(fā)生的可見波長帶。
66.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該元件周期在大約0.076至0.2μm之間。
67.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該區(qū)域厚度在大約0.001至0.3μm之間。
68.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該區(qū)域包括多條從襯底延伸的肋。
69.如權(quán)利要求68所述的偏振器，其中該肋與襯底成一個整體，并且由與襯底相同的材料形成。
70.如權(quán)利要求68所述的偏振器，其中每條肋包括至少一層不同于襯底材料的材料。
71.如權(quán)利要求70所述的偏振器，其中該至少一層材料為氟化鎂。
72.如權(quán)利要求68所述的偏振器，其中該肋具有矩形截面。
73.如權(quán)利要求68所述的偏振器，其中該肋具有梯形截面。
74.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該區(qū)域包括一介電材料薄膜。
75.如權(quán)利要求74所述的偏振器，其中該介電材料薄膜包括氟化鎂。
76.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，而且多條肋形成于該至少一層中并從該至少一層延伸。
77.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該區(qū)域包括多條形成于該襯底中并從襯底延伸的肋，而且多條肋中的每一條均具有至少一層設置在其上并且不同于肋材料的材料。
78.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該襯底為玻璃，該區(qū)域包括氟化鎂。
79.如權(quán)利要求64所述的偏振器，其中該襯底的折射率大約為1.5，該區(qū)域的折射率大約為1.4。
80.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和一折射率的襯底；一在該襯底的第一表面上的區(qū)域，該區(qū)域包括多個從襯底延伸的肋，并且該區(qū)域的折射率小于襯底的折射率；以及一設置在該區(qū)域上的平行、細長元件的陣列。
81.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該元件的周期在大約0.076至1.4μm之間。
82.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該區(qū)域的厚度在大約0.001至0.3μm之間。
83.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該元件的厚度在大約0.04至0.3μm之間；其中該元件為鋁或銀。
84.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該肋與襯底成一個整體，并且由與襯底相同的材料形成。
85.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中每條肋包括至少一層不同于襯底材料的材料。
86.如權(quán)利要求85所述的偏振器，其中該至少一層材料為氟化鎂。
87.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該肋具有矩形截面。
88.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該肋具有梯形表面。
89.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該區(qū)域包括一層介電材料。
90.如權(quán)利要求89所述的偏振器，其中該介電材料層包括氟化鎂。
91.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，而且多條肋形成于該至少一層中并從該至少一層延伸。
92.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該區(qū)域包括多條形成于該襯底中并從襯底延伸的肋，而且多條肋中的每一條具有設置在其上的至少一層不同于肋材料的材料。
93.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該襯底為玻璃，該區(qū)域包括氟化鎂。
94.如權(quán)利要求80所述的偏振器，其中該襯底的折射率大約為1.5，該區(qū)域的折射率大約為1.4。
95.一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和一折射率的襯底；在該襯底的第一表面上的一區(qū)域，該區(qū)域的折射率小于襯底的折射率，該區(qū)域包括至少一層不同于襯底材料的材料，以及多條形成于該薄膜層中并從薄膜層延伸的肋；以及一設置在該區(qū)域上的平行、細長元件的陣列。
96. 一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器，該偏振器包括一具有第一表面和一折射率的襯底；一處于該襯底第一表面上的區(qū)域，該區(qū)域的折射率小于襯底的折射率，并且具有多條形成于該襯底中并從襯底延伸的肋；設置在多條肋中每一條上的至少一層不同于肋材料的材料；以及一設置在該區(qū)域上的平行、細長元件的陣列。
全文摘要
一種用于可見光譜的寬帶線柵偏振器(400),該偏振器具有多個支承在一襯底(1210)上的細長元件(1240)。在該元件與襯底之間設置一折射率低于襯底折射率的區(qū)域(1250),以減小產(chǎn)生諧振的最長波長。
文檔編號G02B5/18GK1363048SQ00810708
公開日2002年8月7日 申請日期2000年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月22日
發(fā)明者雷蒙德·T·帕金斯, 道格拉斯·P·漢森, 埃里克·W·加登納, 詹姆斯·M·托尼, 阿瑟·A·羅賓 申請人:莫科斯泰克公司