專利名稱：可見光波段高偏振度偏振光束分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振器，具體是指一種采用金屬光子晶體結(jié)構(gòu)的可見光波段高偏振度偏振光束分離器。
2.二向色性偏振器如電氣石就是典型的具有二向色性的晶體。其原理是在某些吸收介質(zhì)中，線偏振光經(jīng)受的衰減與線偏振的方向有關(guān)，當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)方向沿著所謂二向色性主軸的二個(gè)正交方向時(shí)，吸收變?yōu)闃O大或極小，也就是對(duì)不同偏振方向的光有選擇地吸收， 光在透過用這種介質(zhì)做成的偏振器后，會(huì)使某一偏振方向的光吸收較多，而另一偏振方向的光有較多透過，從而得到偏振光。缺點(diǎn)是這種材料得到的偏振度不太高，透光率也比較低。
3.反射偏振器這種偏振器的原理是利用兩種介質(zhì)分界界面上布儒斯特角的反射特性得到偏振光。目前這種偏振器是能夠做成紅外波段偏振器之一。但是這種方法的主要缺點(diǎn)在于入射角必須是布儒斯特角，而且布儒斯特角對(duì)不同的波長是不同的。因此，嚴(yán)格說來，只有對(duì)一種波長的光效果才好，如果偏離布儒斯特角，偏振度就比較差。
總上所述，傳統(tǒng)的偏振器有工作頻段窄、難以同時(shí)得到高的偏振度和透射率、對(duì)材料的依賴性強(qiáng)等缺陷，特別是，利用傳統(tǒng)的原理很難得到性能優(yōu)良的寬波段高偏振度的偏振光束分離器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在襯底1上構(gòu)成二維陣列結(jié)構(gòu)的介質(zhì)棒2，介質(zhì)棒之間嵌有SiO23，結(jié)構(gòu)如

圖1、圖2所示。所說的二維陣列結(jié)構(gòu)可以是正方格子或六角格子等。所說的介質(zhì)棒是由金屬材料構(gòu)成的，介質(zhì)棒的半徑R和介質(zhì)棒的周期性即晶格常數(shù)a的比值為0.15和0.25之間，介質(zhì)棒的長度為10納米-500納米，且為了使偏振光束分離器工作于可見光波段，取a＝0.127μm。
當(dāng)一束自然光在上述結(jié)構(gòu)的二維光子晶體中傳播時(shí)，由于二維光子晶體在垂直于二維平面方向上的對(duì)稱破缺，在晶體中兩種偏振光即s波和p波互不耦合，獨(dú)立傳播，各自具有不同的能帶結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)選取晶體結(jié)構(gòu)和介電材料，可以使得s波和p波的帶隙完全錯(cuò)開，此時(shí)，當(dāng)入射的自然光的頻率落在s波的帶隙中時(shí)，s波不能在晶體中傳播，將被全反射，于是，透射光將是全偏振的p波，反之亦然，這是一種完全不同于傳統(tǒng)的全新起偏設(shè)計(jì)。
采用光子晶體概念設(shè)計(jì)偏振器的優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)先設(shè)計(jì)工作波段。原因是光子晶體具有“標(biāo)度不變性”，如果只改變晶格常數(shù)，而維持其他各項(xiàng)參數(shù)不變，則光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)的總體形狀不發(fā)生改變，只是頻率發(fā)生改變而已。對(duì)于介電常數(shù)隨著頻率變化而變化的金屬而言，我們通過只改變金屬棒的半徑和晶格常數(shù)R/a的比，其他的參數(shù)不變，也可以達(dá)到以上的目的。
在本發(fā)明中我們把均勻介質(zhì)取為SiO2，并近似地取其介電常數(shù)εb為1，而金屬的介電常數(shù)εa是隨著光頻的變化而變化的，其表達(dá)形式為εa＝ε1+iε2＝1-f2p/f(f+iγ)其中fp為等離子體頻率，γ是弛豫因子，兩者都是常數(shù)，對(duì)于典型的金屬，通常有fp＝3600THz，γ＝340THz。當(dāng)光束以45°角入射時(shí)，此種結(jié)構(gòu)的s和p波的計(jì)算透過曲線如圖3、圖4所示。在市場(chǎng)急需可見光偏振光束分離器的特征波段范圍420-680納米內(nèi)，s波的透過幾乎等于零，而p波的透過幾乎是1，也就是說s波正處在禁帶隙中，p波處在通帶隙中。說明了在此波段內(nèi)s波是被禁止傳播的，同時(shí)p波是可以傳播的。從圖4中可知在我們所要求的波長范圍內(nèi)其透射率達(dá)到了93％以上。與最近上海光機(jī)所制備的光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)的偏振光束分離器相比，見圖5、圖6，本發(fā)明設(shè)計(jì)的偏振光束分離器的光學(xué)性能要優(yōu)于前者。定義偏振度為|Tp-TS/Tp+TS|，其中TS和Tp分別是s和p波的透射率；即當(dāng)透射光中只有一種偏振時(shí)，偏振度為1，而當(dāng)透射光中兩種偏振強(qiáng)度相等時(shí)，偏振度為0。消光比為TS/Tp。圖7為偏振度的計(jì)算曲線圖，在所研究的波段中偏振度均在96％以上。圖8為計(jì)算的消光比圖，可以看到在此波段中我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在420-680nm且在45±4.5度入射角條件下，Tp＞93％，Ts＜0.8％。本發(fā)明設(shè)計(jì)的偏振光束分離器在450nm、550nm、650nm處消光比分別小于0.002，0.004和0.006，偏振度大于0.93，性能優(yōu)于或等于商業(yè)化要求的在450nm為0.029；在550nm消光比為0.006；在650nm消光比為0.006這些標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)透射曲線呈現(xiàn)非常平滑的狀態(tài)。由以上的數(shù)據(jù)可看到本發(fā)明所提出的二維金屬光子晶體設(shè)計(jì)的偏振光束分離器同時(shí)具有高的偏振度和高的透射率，克服了傳統(tǒng)偏振器難以克服的困難。從s和p波的透射曲線中可知，當(dāng)光束入射的角度以45°角為中心偏離±4.5°時(shí)，兩種光波的透射率幾乎沒有變化，可見本發(fā)明降低了在實(shí)際操作中對(duì)入射光的要求。R/a的值在0.219±0.01改變時(shí)，s和p波的透射系數(shù)在本發(fā)明所要求的波段內(nèi)幾乎沒有變化，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)中金屬棒尺寸漲落留有一定的余地。
權(quán)利要求
1.一種可見光波段高偏振度偏振光束分離器，包括襯底(1)，其特征在于在襯底(1)上構(gòu)成二維陣列結(jié)構(gòu)的介質(zhì)棒(2)，在介質(zhì)棒之間嵌有SiO2(3)；所說的二維陣列結(jié)構(gòu)可以是正方格子或六角格子等；所說的介質(zhì)棒(2)是由金屬材料構(gòu)成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1.一種可見光波段高偏振度偏振光束分離器，其特征在于所說的介質(zhì)棒的半徑R和介質(zhì)棒的周期性即晶格常數(shù)a的比值為0.15和0.25之間，取a＝0.127μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1.一種可見光波段高偏振度偏振光束分離器，其特征在于所說的介質(zhì)棒的長度為10納米-500納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用金屬光子晶體結(jié)構(gòu)的可見光波段高偏振度偏振光束分離器。包括:在襯底上構(gòu)成二維陣列結(jié)構(gòu)的介質(zhì)棒,所說的二維陣列結(jié)構(gòu)可以是正方格子或六角格子等,所說的介質(zhì)棒是由金屬材料構(gòu)成的,介質(zhì)棒之間嵌有SiO
文檔編號(hào)G02F1/01GK1383002SQ0211181
公開日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月23日
發(fā)明者陸衛(wèi), 周梅, 陳效雙, 李志鋒, 李寧, 王少偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所