專利名稱：波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束偏振器，具體是一種波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器。
背景技術(shù)：
偏振器是將自然光轉(zhuǎn)變成偏振光的器件。傳統(tǒng)的由一維光學(xué)薄膜構(gòu)成的偏振器件依靠的是布儒斯特角，需要在玻璃棱鏡的配合下進(jìn)行使用，如果入射角偏離了布儒斯特角，偏振度會明顯下降。單軸的雙折射晶體也可以分離o光和e光，但它對入射角的范圍有限制，器件的體積往往很大。某些晶體和聚合物材料可以利用二向色性對不同偏振方向的光進(jìn)行選擇性吸收，因?yàn)楣ぷ髟谖漳Ｊ剑圆贿m用于強(qiáng)光場合。這些傳統(tǒng)的偏振器件都很難在現(xiàn)代集成光學(xué)中得到應(yīng)用。
中國專利號98110990.X，受權(quán)公告號CN1214453A，受權(quán)公告日1999年4月21日，名稱為“二維光子晶體偏振器及制備方法”，該專利公開了一種由介質(zhì)材料構(gòu)成的二維光子晶體偏振器件。另外，中國專利號02111812.4，受權(quán)公告號CN1383002A，受權(quán)公告日2002年12月4日，名稱為“可見光波段高偏振度偏振光束分離器”，該專利公開了一種由金屬材料構(gòu)成的二維光子晶體偏振器件。它們的基本原理都是利用光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行光束偏振，缺點(diǎn)是二維光子晶體周期性微結(jié)構(gòu)的加工工藝復(fù)雜，特別是在光波波段，微結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到亞微米量級，需要依靠昂貴的高精密制造設(shè)備，投資成本太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器，利用傳統(tǒng)的薄膜制備工藝，降低了器件的制作成本，同時又能獲得很高的光束偏振性能指標(biāo)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一、垂直入射情況下的波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器光束偏振器件是由多層的波狀薄膜構(gòu)成，屬于二維周期性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柵格為矩形，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在相互分離的散射體，有別于普通二維光子晶體結(jié)構(gòu)。薄膜選用高低兩種折射率的介質(zhì)材料，折射率之比應(yīng)大于1.6，膜層表面形貌可以是三角形和正弦形兩種。本發(fā)明借助二維周期結(jié)構(gòu)的能帶理論，利用了能帶中的通帶和禁帶，在禁帶內(nèi)光無法傳播將被反射，在通帶內(nèi)光可以透射。對于波狀結(jié)構(gòu)薄膜，偏振光分TE模和TM模兩種，在垂直入射角情況下，兩種偏振態(tài)具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，能帶由一系列的通帶和禁帶組成，當(dāng)TE模的通帶/禁帶與TM模的禁帶/通帶重疊時，就可以利用禁帶的反射與通帶的透射將兩種偏振態(tài)分離開來。波狀結(jié)構(gòu)薄膜可以作為起偏器和檢偏器來使用。
二、傾斜入射情況下的波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器光束偏振器件由多層的波狀薄膜構(gòu)成，借助二維周期結(jié)構(gòu)能帶理論中的完全禁帶和完全通帶，完全禁帶意味著在入射面內(nèi)，偏振光以任意角度入射都會被完全反射，完全通帶意味著偏振光以任意角度入射時在波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部都能傳播，而且透過率較高。對于波狀結(jié)構(gòu)薄膜，偏振光分TE模和TM模兩種，當(dāng)TE模的完全通帶/完全禁帶與TM模的完全禁帶/完全通帶重疊時，就可以利用完全禁帶的反射與完全通帶的透射將兩種偏振態(tài)分離開來，因?yàn)榭梢栽趦A斜入射的情況下進(jìn)行工作，被反射的偏振光不會與入射光束同光路，所以波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器可以作為偏振分束器來使用。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明具有二維周期結(jié)構(gòu)的尺度縮放性質(zhì)，將結(jié)構(gòu)周期放大或縮小一個因子，相應(yīng)的工作波長也隨之放大或縮小相同的因子，而又保證偏振器件的性能指標(biāo)不變。本發(fā)明利用波狀結(jié)構(gòu)薄膜實(shí)現(xiàn)了光束偏振，適用于垂直入射和傾斜入射兩種情況，具有偏振度高，材料選擇范圍廣，制作成本低，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，適用于微波、紅外和可見光波段。


圖1是波狀結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-1是垂直入射情況下波狀結(jié)構(gòu)薄膜的TE模透射譜以及能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-2是垂直入射情況下波狀結(jié)構(gòu)薄膜的TM模透射譜以及能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是TE模與TM模的透射譜比對示意圖；圖4是波狀結(jié)構(gòu)薄膜的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，陰影部分為TM模的完全禁帶；圖5-1是波狀結(jié)構(gòu)薄膜的TM模角度透射譜；圖5-2是波狀結(jié)構(gòu)薄膜的TE模角度透射譜；具體實(shí)施方式
實(shí)施例1垂直入射情況下的波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器波狀結(jié)構(gòu)薄膜如圖1所示，膜層沿Z方向的周期Lz取為480nm，高折射率材料的厚度T取為160nm，波狀結(jié)構(gòu)沿X方向的周期Lx取為560nm，波狀膜層的傾角θ取為45度，兩種介質(zhì)材料分別選用Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.5)，光束沿Z軸垂直入射。圖2給出了TE模和TM模的透射譜以及各自對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)。圖3給出了兩種偏振態(tài)的透射譜比對，在Lz/λ＝0.165-0.18和Lz/λ＝0.275-0.36兩個頻率段內(nèi)，TE模高透TM模被反射，在Lz/λ＝0.21-0.255頻率段內(nèi)TE模被反射而TM模高透。根據(jù)Lz當(dāng)前的設(shè)定，這些頻率段位于近紅外范圍內(nèi)。需要指出的是，要達(dá)到較高的偏振度，膜層周期需要重復(fù)10次以上。另外，結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定并不唯一，只要保證實(shí)際制備的可行性以及所選兩種介質(zhì)材料的折射率差足夠大，結(jié)構(gòu)參數(shù)即使有所變化，兩種偏振態(tài)的能帶差異依然存在，只是所處的頻率范圍發(fā)生了改變。
實(shí)施例2傾斜入射情況下的波狀結(jié)構(gòu)薄膜光束偏振器波狀結(jié)構(gòu)薄膜如圖1所示，Lz取為440nm，T取為140nm，Lx取為560nm，θ取為45度，兩種介質(zhì)材料分別選用Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.5)。圖4給出了TE模與TM模的能帶結(jié)構(gòu)，TM模完全禁帶在Lz/λ＝0.29-0.30。在第一布里淵區(qū)的邊界上(即X-M-X′)TE模的第二條能帶都位于TM模完全禁帶的下方，在邊界上任取一點(diǎn)與中心Γ相連代表了波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部任意的一個波矢方向，已知Γ點(diǎn)和邊界上的點(diǎn)對應(yīng)的TE模本征頻率分別位于TM模完全禁帶的上方和下方，依據(jù)能帶的連續(xù)性，說明在該波矢方向上TE模的能帶一定穿越了TM模的完全禁帶，由于上述波矢方向是任意的，所以在所有的波矢方向上TE模都存在與TM模的完全禁帶相重疊的通帶。圖5給出了TE模和TM模的角度透射譜，TM模的平均透過率不超過0.5％；對于TE模，1480nm的高透區(qū)域在27度到37度之間，1500nm在12度以內(nèi)，能夠滿足傾斜入射情況下的偏振分束要求。
權(quán)利要求
1.一種波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于是由兩種介質(zhì)材料的波狀膜層構(gòu)成的二維周期結(jié)構(gòu)，膜層的表面起伏形貌完全一致。
2.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于薄膜采用了高低兩種折射率的介質(zhì)材料，且高低折射率之比應(yīng)大于1.6。
3.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于膜層的周期應(yīng)重復(fù)10次以上。
4.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于膜層的波狀輪廓可以是三角形和正弦形兩種。
5.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于能夠在垂直入射情況下進(jìn)行光束的起偏或檢偏。
6.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于能夠進(jìn)行多頻段的光束起偏或檢偏，透射光與反射光的偏振態(tài)由工作頻段來決定。
7.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于能夠在光束傾斜入射情況下進(jìn)行偏振分束，透射偏振為TE模，反射偏振為TM模，入射角具有一定范圍，隨頻率的變化入射角范圍相應(yīng)改變。
8.根據(jù)權(quán)力1所述的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件，其特征在于器件由介質(zhì)材料構(gòu)成，光學(xué)損耗小，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光偏振分束的波狀結(jié)構(gòu)薄膜器件。采用波狀的多層薄膜構(gòu)建新型偏振器件，該器件應(yīng)用兩種折射率差異較大的介質(zhì)材料以及適當(dāng)?shù)牟钅咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)獲得所需頻率的光波偏振特性。本發(fā)明利用能帶理論中的完全禁帶和完全通帶的概念拓寬了偏振器件的入射角范圍，使波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振器件具備偏振分束的功能。由本發(fā)明制得的偏振器件具有偏振度高，材料選擇范圍廣，制作成本低，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，作為偏振分束器使用時還具有光學(xué)損耗小，入射角與頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02F1/01GK1996066SQ20061005394
公開日2007年7月11日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月25日
發(fā)明者厲以宇, 顧培夫, 王元 申請人:浙江大學(xué)