專利名稱：基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振分束器件，具體是一種基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器。
背景技術(shù)：
波狀結(jié)構(gòu)薄膜是一種二維周期性的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，類似于二維光子晶體，不同的是它具有層狀結(jié)構(gòu)特征，而普通的二維光子晶體是由相互分離的散射體依據(jù)二維柵格周期排布而成，不具備層狀特征。偏振分束器的作用是將入射的非偏振電磁波分解成兩束具有不同偏振態(tài)的電磁波。電磁波在二維周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時可以分解成電場的振動方向平行于和垂直于二維周期平面的兩個偏振態(tài)。
中國專利號200410101822.5，受權(quán)公告號CN1641382A，受權(quán)公告日2005年7月20日，名稱為“二維光子晶體偏振分束器”，該專利公開了一種透射式的二維光子晶體偏振器。它基于二維光子晶體的各向異性性質(zhì)，即光子晶體整體上對不同的偏振態(tài)具有不同的平均折射率，要求入射波長遠(yuǎn)大于光子晶體晶格常數(shù)，比如波長與晶格常數(shù)之比為10∶1至30∶1。缺點(diǎn)是只適用于微波或者是波長更長的波段，對于短波如紅外和可見光，勢必要求晶格常數(shù)達(dá)到納米量級，制作難度很大，成本太高。
中國專利號200510060208.3，受權(quán)公告號CN1737616A，受權(quán)公告日2006年2月22日，名稱為“基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器與分束方法”，該專利公開了一種基于光子晶體正負(fù)折射的透射式的偏振分束器，可適用于紅外和光波波段。缺點(diǎn)是二維周期性圓柱陣列的微結(jié)構(gòu)加工工藝復(fù)雜，涉及到光刻、蝕刻等工序，需要大批昂貴的制造設(shè)備。
文獻(xiàn)[Y.Y.Li，Acta Phys.Sin.55，4918，2006]論證了波狀結(jié)構(gòu)薄膜能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生負(fù)折射作用，即入射光線和折射光線位于界面法線的同一側(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，工作波長根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以選擇在微波、紅外和可見光波段，采用傳統(tǒng)的薄膜制備工藝，降低器件的制作成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在一維光柵基板上交替鍍制高低兩種折射率的介質(zhì)材料，受光柵表面形貌的調(diào)制作用薄膜呈現(xiàn)波狀起伏的二維周期結(jié)構(gòu)。兩種薄膜材料的折射率之比應(yīng)大于1.6，基板光柵必須是不含雙折射效應(yīng)的透射型光柵。所述的二維周期性是指沿薄膜生長方向的高低兩種介質(zhì)材料的重復(fù)周期和垂直于該方向的膜層的波狀起伏周期，其中膜層的波狀起伏周期與基板光柵的周期相同。為達(dá)到薄膜的完美復(fù)形，根據(jù)薄膜生長理論，薄膜的波狀輪廓只能是三角形和正弦形兩種。
基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束方法是以鍍制在光柵基板上的波狀結(jié)構(gòu)多層薄膜作為電磁波的偏振分束元件，入射的電磁波包含兩個偏振態(tài)，從波狀結(jié)構(gòu)薄膜一側(cè)入射后其中一個偏振態(tài)遵循正常折射，入射光線與折射光線分別位于法線兩側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有正折射率的均勻介質(zhì)材料；另一種偏振態(tài)呈現(xiàn)反常折射即負(fù)折射，入射光線與折射光線位于法線同側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有負(fù)折射率的均勻介質(zhì)材料，從而在波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部將兩種偏振態(tài)的電磁波分離開來，實(shí)現(xiàn)透射式的偏振分束。理想的偏振分離效果要求波狀結(jié)構(gòu)薄膜的總厚度不能太薄，因而高低折射率膜層的重復(fù)周期數(shù)至少應(yīng)在30以上。
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)，即工作波長與器件結(jié)構(gòu)的周期成一固定比例，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，而又保證偏振分束器件的性能指標(biāo)不變。本發(fā)明可以使兩個偏振態(tài)在器件的結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生分離并同時透射，且透過率大，偏振度高。本發(fā)明所涉及的器件制作方法比現(xiàn)有的二維光子晶體偏振分束器件要簡單很多，只需在基板光柵上鍍制多層膜，工藝成熟，可重復(fù)性高，適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)


圖1是波狀結(jié)構(gòu)薄膜透射式偏振分束器的結(jié)構(gòu)原理示意圖1、法線，2、入射電磁波，3、高折射率膜層，4、低折射率膜層，5、折射電磁波，6、基板光柵，7、折射電磁波。
圖2是對應(yīng)于偏振態(tài)I的波狀結(jié)構(gòu)薄膜的等頻面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是對應(yīng)于偏振態(tài)II的波狀結(jié)構(gòu)薄膜的等頻面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，在二維平面上，偏振分束器由波狀結(jié)構(gòu)多層薄膜和基板光柵6構(gòu)成，外圍介質(zhì)為空氣(折射率為1)。多層膜中高折射率材料(折射率為3.5)的膜層3厚度為0.32a(以下均使用晶格常數(shù)a作為長度單位)，低折射率材料(折射率為1.5)的膜層4厚度為0.68a，光柵周期為a，波狀薄膜總厚度應(yīng)在30a以上，膜層的波狀輪廓保持為三角形。非偏振的入射電磁波2由波狀結(jié)構(gòu)薄膜一側(cè)傾斜進(jìn)入，頻率為ω＝0.3(2πc/α)。入射電磁波2包含兩個偏振態(tài)，其中，偏振態(tài)I遵循正常折射，入射電磁波2與折射電磁波7分別位于法線1兩側(cè)；偏振態(tài)II在波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部呈現(xiàn)負(fù)折射效應(yīng)，入射電磁波2與折射電磁波5位于法線1同側(cè)。
本發(fā)明所涉及的波狀結(jié)構(gòu)薄膜偏振分束器，其工作頻率范圍內(nèi)的等頻面結(jié)構(gòu)如圖2和3所示，工作頻率為ω＝0.3～0.34(2πc/α)，偏振態(tài)I工作在正常折射，波狀結(jié)構(gòu)薄膜的等效折射率為正；偏振態(tài)II工作在負(fù)折射，波狀結(jié)構(gòu)薄膜的等效折射率為負(fù)。入射電磁波2的入射角范圍為15°～60°，偏振分離角為25°～75°。
權(quán)利要求
1.基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，是由高低兩種介質(zhì)材料交替鍍制在基板光柵(6)上的二維周期性結(jié)構(gòu)，介質(zhì)材料的折射率之比應(yīng)大于1.6，基板光柵(6)必須是透射型光柵，光柵材料除雙折射晶體之外其余均可。
2.根據(jù)權(quán)力1所述的基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，所述的二維周期性是指沿薄膜生長方向的高低兩種介質(zhì)材料的重復(fù)周期和垂直于該方向的膜層的波狀起伏周期。
3.根據(jù)權(quán)力1所述的基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，膜層的波狀起伏周期與基板光柵(6)的周期相同。
4.根據(jù)權(quán)力1所述的基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，沿薄膜生長方向的高低兩種介質(zhì)材料的膜層重復(fù)周期數(shù)至少應(yīng)在30以上。
5.根據(jù)權(quán)力1所述的基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，膜層的波狀輪廓只能是三角形和正弦形兩種。
6.基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，以鍍制在基板光柵(6)上的波狀結(jié)構(gòu)多層薄膜作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波(2)包含兩個偏振態(tài)，從波狀結(jié)構(gòu)薄膜一側(cè)入射后其中一個偏振態(tài)遵循正常折射，入射電磁波(2)與折射電磁波(7)分別位于法線(1)兩側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有正折射率的均勻介質(zhì)材料；另一種偏振態(tài)呈現(xiàn)反常折射即負(fù)折射，入射電磁波(2)與折射電磁波(5)位于法線(1)同側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有負(fù)折射率的均勻介質(zhì)材料，從而在波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部將兩種偏振態(tài)的電磁波分離開來，實(shí)現(xiàn)透射式的偏振分束。
7.根據(jù)權(quán)力6所述的基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器，其特征在于，電磁波的入射角范圍為15°～60°，兩種偏振態(tài)的折射分離角為25°～75°。
全文摘要
一種基于波狀結(jié)構(gòu)薄膜正負(fù)折射的偏振分束器。薄膜由交替鍍制在基板光柵上的高低兩種介質(zhì)材料構(gòu)成，受光柵表面輪廓的調(diào)制作用呈現(xiàn)波狀起伏的二維周期結(jié)構(gòu)。從外界入射的電磁波包含兩個偏振態(tài)，從薄膜一側(cè)入射后其中一個偏振態(tài)遵循正常折射，入射光線與折射光線分別位于法線兩側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有正折射率的均勻介質(zhì)材料；另一種偏振態(tài)呈現(xiàn)反常折射即負(fù)折射，入射光線與折射光線位于法線同側(cè)，波狀結(jié)構(gòu)薄膜近似于一塊具有負(fù)折射率的均勻介質(zhì)材料，從而在波狀結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)部將兩種偏振態(tài)的電磁波分離開來，實(shí)現(xiàn)透射式的偏振分束。本發(fā)明利用波狀結(jié)構(gòu)的多層介質(zhì)薄膜實(shí)現(xiàn)了偏振分光，具有體積小、工藝簡單、偏振度高等優(yōu)點(diǎn)，同時具備二維周期結(jié)構(gòu)的尺度縮放性質(zhì)，可用于微波、紅外以及可見光波段。
文檔編號G02B27/28GK1996096SQ20061005394
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, 章岳光 申請人:浙江大學(xué)