專利名稱：偏振元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振元件，尤其涉及一種利用由金屬微粒子的形狀各向異性引起 的光吸收效率的差的偏振元件。
背景技術(shù)：
偏振元件是指具有如下功能的光學(xué)元件，即透射在某特性方向上具有電場(chǎng)振動(dòng)面 的直線偏振波，而阻止在與此正交的方向上具有電場(chǎng)振動(dòng)面的直線偏振波的透射的功能 (以下在偏振元件中，將所透射的光的電場(chǎng)振動(dòng)方向記為“透射軸”，與透射軸正交的方向記 為“消光軸”)。偏振元件的特性通過(guò)如下因素評(píng)價(jià)，即在與元件的透射軸平行的方向上具有電場(chǎng) 振動(dòng)面的直線偏振波透射偏振元件時(shí)所受的損耗(以下將該損耗記為“插入損耗”)、和具 有與消光軸平行的電場(chǎng)振動(dòng)面的直線偏振波透射偏振元件時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度除以具備具有與 透射軸平行的方向的電場(chǎng)振動(dòng)面的直線偏振波透射偏振元件時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度的值(以下將 該值記為“消光比”)。具有良好特性的偏振元件是指插入損耗小且消光比高的元件。作為使用金屬微粒子的偏振元件公知有使由銀或銅構(gòu)成的針狀金屬微粒子在玻 璃基體中分散成其長(zhǎng)邊方向沿特定方向取向的偏振玻璃(以下將該偏振元件記為“金屬微 粒子分散型偏振玻璃”)。金屬微粒子分散型偏振玻璃的制造方法例如詳細(xì)記載于日本專利 公開(kāi)平5-208844號(hào)公報(bào)，其要點(diǎn)如以下所示。<1>將含有氯化亞銅的玻璃材料調(diào)合成為所希望的組成，在約1450°C下熔融這些 之后，緩冷至室溫。<2>之后，通過(guò)施以熱處理，使氯化亞銅的微粒子析出于玻璃中。<3>析 出氯化亞銅微粒子之后，通過(guò)機(jī)械加工制作具有適當(dāng)形狀的預(yù)制棒。<4>以預(yù)定條件加熱或 拉伸預(yù)制棒而得到氯化亞銅的針狀粒子。<5>通過(guò)在氫氣中還原拉伸的氯化亞銅而得到針 狀金屬銅微粒子。記載有如下要旨通過(guò)這種制造方法制造在基材玻璃中分散短徑20 75nm、長(zhǎng) 徑120 350nm、縱橫比(針狀粒子的長(zhǎng)徑除以短徑的商)2. 5 10的金屬銅針狀微粒子 的金屬微粒子分散型偏振玻璃。專利文獻(xiàn)1 日本專利公開(kāi)平5-208844號(hào)公報(bào)在前述的以往金屬微粒子分散型偏振玻璃中，實(shí)現(xiàn)了 0. IdB以下的透射損耗與 30dB以上的消光比，得到實(shí)用上幾乎不成問(wèn)題的性能。然而，如前所述，其制造工序?yàn)槲?出_拉伸_還原這種比較繁雜的工序，所以粒子形狀的再現(xiàn)性未必一定良好，其結(jié)果有時(shí)也 得不到所希望的消光比，在謀求穩(wěn)定生產(chǎn)的方面存在問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而完成的，其目的在于，提供一種形狀控制性良好且生產(chǎn) 率優(yōu)異的偏振元件。為了解決前述課題，根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明提供如下偏振元件
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作為第1實(shí)施方式的偏振元件，利用由電介質(zhì)層覆蓋的多個(gè)金屬片在對(duì)預(yù)定波長(zhǎng) 的光具有透射性的基體上配設(shè)成島狀，并且該金屬片的等離子體共振頻率根據(jù)照射于該金 屬片的光的偏振方向不同的性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)所希望的偏振特性，其特征在于，該金屬片的預(yù)定 方向上的等離子體共振頻率與照射于該偏振元件的光的頻率大致相同，并且構(gòu)成該金屬片 的金屬的該等離子體共振頻率中的介電常數(shù)的實(shí)部(ε ‘)、介電常數(shù)的虛部(ε “)、及該 電介質(zhì)層的折射率OO具有成為K ε ‘ -na2)2+ ε 〃 2}≥80 · na · ε 〃的關(guān)系。并且，第1實(shí)施方式所涉及的作為第2實(shí)施方式的偏振元件，其特征在于，其被照 射的光的照射區(qū)域中的該金屬片的、相對(duì)于該照射的光的傳輸方向大致正交的面內(nèi)的幾何 截面的總和小于該光的照射區(qū)域的面積，并且該金屬片的等離子體共振頻率中的吸收截面 的總和為該照射區(qū)域的面積的10倍以上。并且，第1或第2實(shí)施方式所涉及的作為第3實(shí)施方式的偏振元件，其特征在于， 該金屬片的形狀為大致長(zhǎng)方體形，并且在該金屬片的聚集體中該大致長(zhǎng)方體的最長(zhǎng)的邊與 大致一定的方向?qū)R。并且，第1或第2實(shí)施方式所涉及的作為第4實(shí)施方式的偏振元件，其特征在于， 該金屬片的形狀為大致橢圓柱形，橢圓的長(zhǎng)軸沿大致一定的方向?qū)R。并且，第1至第4實(shí)施方式所涉及的任一個(gè)作為第5實(shí)施方式的偏振元件，其特 征在于，該金屬片的與該照射的光的傳輸方向的平行的方向的長(zhǎng)度為該照射的光的波長(zhǎng)的 1/10以下，并且與該照射的光的傳輸方向正交的面內(nèi)的該金屬片的尺寸為1 μ m以下。另外，第1至第5實(shí)施方式所涉及的任一個(gè)作為第6實(shí)施方式的偏振元件，其特征 在于，構(gòu)成該金屬片的金屬為Al，或者包含Al與Si、Ag、Au中的至少一種的Al合金。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的偏振元件可通過(guò)以一般納米壓印光刻為主體的工藝制造，生產(chǎn) 率高且金屬微粒子的形狀及尺寸的控制性或再現(xiàn)性也相對(duì)于以往的金屬微粒子分散型偏 振玻璃優(yōu)異，其結(jié)果可謀求穩(wěn)定的生產(chǎn)。
圖1是可獲得良好的消光比的介電常數(shù)的實(shí)部與虛部的關(guān)系。圖2是(吸收截面的總和)/(照射面積)與消光比的關(guān)系。圖3是各種金屬片材料中的面積占有率與衰減量的關(guān)系。圖4是去極化系數(shù)對(duì)吸收系數(shù)的光譜帶來(lái)的影響。圖5是表示本申請(qǐng)發(fā)明所涉及的矩形微粒子配設(shè)性偏振元件的結(jié)構(gòu)的一例的立 體圖。圖6是關(guān)于金屬片為T(mén)i時(shí)的面積占有率與衰減量的關(guān)系。圖7是關(guān)于金屬片為Cr時(shí)的面積占有率與衰減量的關(guān)系。圖8是關(guān)于金屬片為Al時(shí)的面積占有率與衰減量的關(guān)系。圖9是用于說(shuō)明大致長(zhǎng)方體形的意義的簡(jiǎn)要圖。圖10是長(zhǎng)方體片中的尺寸比與去極化系數(shù)的關(guān)系。圖中31_去極化系數(shù)為0. 065時(shí)的吸收系數(shù)的光譜，32-去極化系數(shù)為0. 108時(shí) 的吸收系數(shù)的光譜，33-去極化系數(shù)為0. 1867時(shí)的吸收系數(shù)的光譜，41-光學(xué)上透明的基板，42-基板41的表面，43-長(zhǎng)方體形金屬片，44-光學(xué)上透明的電介質(zhì)膜，101-作為長(zhǎng)邊方 向的去極化系數(shù)可獲得0. 01 0. 07范圍值的區(qū)域，102-表示長(zhǎng)邊與短邊的比率成為2. 5 的長(zhǎng)邊與短邊的關(guān)系的線，103-表示長(zhǎng)邊與短邊的比率成為3. 5的關(guān)系的線，104-表示長(zhǎng) 邊與短邊的比率成為4. 5的關(guān)系的線，105-表示作為長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)的值可獲得 0. 03的長(zhǎng)邊與短邊的關(guān)系的線。
具體實(shí)施例方式在充分小于光的波長(zhǎng)的數(shù)十納米左右的金屬微粒子中，則通過(guò)由其形狀決定的分 界限制自由電子的移動(dòng)，因此可以與均勻極化的電介質(zhì)同樣地處理其金屬微粒子。此時(shí)， 依存微粒子形狀而在其內(nèi)部形成反向電場(chǎng)而影響對(duì)從外部外加的電場(chǎng)(以下記為“外部電 場(chǎng)”)的響應(yīng)。尤其是若對(duì)外部電場(chǎng)的響應(yīng)遲延，則產(chǎn)生能量損失，以某一特定的頻率共振 吸收光。對(duì)外部電場(chǎng)的響應(yīng)作為所謂介電響應(yīng)ε (ω)表示，并由以下所示的⑴式給出。[數(shù)1]ε(ω) = 1 + ^ε *⑷Z^ “1^(1)式(1)中，ω為照射的光的角頻率，ε*(ω)為構(gòu)成微粒子的金屬的角頻率ω中 的復(fù)介電常數(shù)，ε a為金屬微粒子的周邊介質(zhì)的介電常數(shù)，L為根據(jù)微粒子的形狀規(guī)定的去 極化系數(shù)。去極化系數(shù)是不依存微粒子的材質(zhì)而僅根據(jù)形狀規(guī)定的系數(shù)，只有在包含球的旋 轉(zhuǎn)橢圓體形時(shí)，才分析求出。例如球時(shí)的去極化系數(shù)為各向同性，其值為1/3。并且縱橫比為 約3的雪茄式旋轉(zhuǎn)橢圓體時(shí)，去極化系數(shù)的值根據(jù)方向不同，例如長(zhǎng)軸方向的值為0. 108， 短軸方向的值為0. 446?；趩我晃⒘Ｗ拥墓獾奈障禂?shù)α由以下所示的(2)式給出。[數(shù)2]
2π · nl ε “ … a =--·--(2)31
1 λ [s' + sa*(j--l)]2+￡"2式⑵中，~為金屬微粒子的周邊介質(zhì)的折射率，λ為照射的光的真空波長(zhǎng)(λ = 2Jic/co，c為光速)，ε ‘和ε “為各角頻率ω中的復(fù)介電常數(shù)(ε * ( ω ))的實(shí)部和虛部。在圖4示出利用式(2)計(jì)算的關(guān)于雪茄式旋轉(zhuǎn)橢圓體形的銀微粒子時(shí)去極化系數(shù) 對(duì)吸收系數(shù)的光譜帶來(lái)的影響。圖中31是銀微粒子的長(zhǎng)軸方向的去極化系數(shù)為0. 065時(shí) 的光譜，32是該去極化系數(shù)為0. 108的光譜，33是該去極化系數(shù)為0. 1867時(shí)的光譜。計(jì)算 時(shí)，銀微粒子的周邊介質(zhì)的折射率設(shè)為1.45(介電常數(shù)2. 1025)，照射的光設(shè)為與旋轉(zhuǎn)橢 圓體的長(zhǎng)徑方向平行的方向上具有電場(chǎng)振動(dòng)面的直線偏振波。如圖4所示，在任一去極化 系數(shù)的情況下，吸收系數(shù)都在特定波長(zhǎng)中變得極大。這種極大是因?yàn)殂y微粒子中的自由電 子的振動(dòng)與外部電場(chǎng)的振動(dòng)(與照射的光的電場(chǎng)成分的振動(dòng)對(duì)應(yīng))共振，通常作為等離子 體共振現(xiàn)象而所知(以下將產(chǎn)生等離子體共振的光的波長(zhǎng)記為“等離子體共振波長(zhǎng)”)。等 離子體共振波長(zhǎng)依存照射的金屬微粒子的去極化系數(shù)，準(zhǔn)確地依存與照射的光的電場(chǎng)振動(dòng)方向平行的方向的去極化系數(shù)而變化，去極化系數(shù)減少的同時(shí)，等離子體共振波長(zhǎng)移動(dòng)至 長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)。針狀形粒子時(shí)，與雪茄式旋轉(zhuǎn)橢圓體粒子相同，長(zhǎng)軸方向的去極化系數(shù)小于短軸 方向的去極化系數(shù)，等離子體共振波長(zhǎng)在兩方向不同。在前述的以往的金屬微粒子分散型 偏振玻璃中，規(guī)定去極化系數(shù)，即針狀微粒子的縱橫比，以使針狀金屬微粒子的長(zhǎng)邊方向的 等離子體共振波長(zhǎng)與所希望的光的波長(zhǎng)大體一致。在這種情況下，將所希望的波長(zhǎng)的直線 偏振波照射到針狀金屬微粒子時(shí)，當(dāng)其電場(chǎng)振動(dòng)面與針狀金屬微粒子的長(zhǎng)軸方向一致時(shí)， 由于基于金屬微粒子的共振吸收，透射光的強(qiáng)度大大衰減。與此相反，當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)面與針狀 金屬微粒子的短軸方向一致時(shí)，不產(chǎn)生基于金屬微粒子的共振吸收，其結(jié)果幾乎不會(huì)衰減 而透射針狀金屬微粒子。以上是在金屬微粒子分散型偏振玻璃中顯現(xiàn)偏振效果的機(jī)構(gòu)，是該偏振玻璃被稱 為“吸收型偏振元件”的理由。然而，如前所述的去極化系數(shù)是根據(jù)微粒子的形狀決定的因子，本來(lái)就不限于旋 轉(zhuǎn)橢圓體，在一般形狀中其形狀上也存在特有的去極化系數(shù)。只不過(guò)只有在形狀為包含球 的旋轉(zhuǎn)橢圓體時(shí)，才以分析數(shù)式表現(xiàn)。即，對(duì)于一般形狀，可通過(guò)使用數(shù)值分析手法求出去 極化系數(shù)。換言之，在微粒子的形狀為長(zhǎng)方體形時(shí)，也可以通過(guò)適當(dāng)選定其縱、橫及高度的 尺寸比來(lái)實(shí)現(xiàn)前述的0. 065等去極化系數(shù)。另一方面，如前所述，圖4所示的吸收系數(shù)α的大小與“吸收型偏振器”的消光比 成比例。例如，若設(shè)想厚度為20nm的長(zhǎng)方體形的微粒子(在此“厚度”是指照射的直線偏 振平面波所傳輸?shù)姆较虻拈L(zhǎng)度)，則在吸收系數(shù)α約為3(1/長(zhǎng)度的次元)時(shí)，透射該長(zhǎng)方 體微粒子之后的光的強(qiáng)度成為exp (-60)，獲得約-260dB的消光比。該消光比不論偏振元件 的應(yīng)用領(lǐng)域，大幅度超過(guò)其要求規(guī)格值。本發(fā)明者們著眼于以上問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)于多個(gè)長(zhǎng)方體形的金屬微粒子在光學(xué)上透明的 基板上配設(shè)成島狀的結(jié)構(gòu)的偏振元件的偏振特性進(jìn)行了深入研究的結(jié)果，以至于完成本申 請(qǐng)發(fā)明(以下，將這種結(jié)構(gòu)的偏振器記為“矩形微粒子配設(shè)型偏振元件”)。以下，對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明所涉及的矩形微粒子配設(shè)型偏振元件進(jìn)行具體說(shuō)明。圖5是表示本申請(qǐng)發(fā)明所涉及的矩形微粒子配設(shè)型偏振元件的結(jié)構(gòu)的一例的立 體圖。圖中，41是光學(xué)上透明的基板，42是基板41的表面，43是長(zhǎng)方體形的金屬片，44是 光學(xué)上透明的電介質(zhì)膜。如圖所示，根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明構(gòu)成的矩形微粒子配設(shè)型偏振元件成 為如下結(jié)構(gòu)在石英玻璃等的希望波長(zhǎng)中具有光的透射性的玻璃基板或由藍(lán)寶石等單晶體 構(gòu)成的基板41的表面42上島狀配設(shè)多個(gè)具有數(shù)十納米至數(shù)百納米順序的尺寸的長(zhǎng)方體形 的金屬片43，且用在SiO2等希望波長(zhǎng)中具有光的透射性的電介質(zhì)膜包覆該片。以下，對(duì)矩形微粒子配設(shè)型偏振元件的偏振效果進(jìn)行說(shuō)明。如前所述，金屬片43的等離子體共振波長(zhǎng)由作為其材質(zhì)的金屬的介電常數(shù)和去 極化系數(shù)決定。例如設(shè)想如下情況將金屬片43的長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)設(shè)定成對(duì)照射的 光的波長(zhǎng)產(chǎn)生等離子體共振，并且金屬片43的短邊方向的去極化系數(shù)設(shè)定成從這些偏離。 對(duì)于具體例用實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，這種去極化系數(shù)的關(guān)系通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定長(zhǎng)方體的各邊的尺 寸比來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，直線偏振波從 基板表面42的法線方向大致平行的方向照射時(shí)，當(dāng)該直線偏振波的電場(chǎng)振動(dòng)面與長(zhǎng)方體金屬片43的長(zhǎng)邊方向平行時(shí)，通過(guò)在長(zhǎng)方體金屬 片43的內(nèi)部引起的等離子體共振來(lái)吸收照射的光的能量，透射光的強(qiáng)度大大衰減。與此相 反，當(dāng)照射的直線偏振波的電場(chǎng)振動(dòng)面與長(zhǎng)方體金屬片43的短邊方向平行時(shí)，其能量不會(huì) 因等離子體共振而損失。以上是矩形微粒子配設(shè)型偏振元件的動(dòng)作原理。發(fā)明者們根據(jù)這種構(gòu)思對(duì)金屬種類及金屬片43的基板表面42中的面積占有率對(duì) 消光比帶來(lái)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果明確了存在以下敘述的異?，F(xiàn)象，同時(shí)以至于完成本 申請(qǐng)發(fā)明。圖6中示出關(guān)于金屬種類為T(mén)i時(shí)面積占有率與衰減量的關(guān)系。Ti片的形狀為大 致長(zhǎng)方體形，長(zhǎng)邊、短邊及高度(從基板表面的厚度的意思，以下相同)的尺寸分別是95nm、 25nm及20nm。基板為石英玻璃，電介質(zhì)膜為Si02。在此，對(duì)本說(shuō)明書(shū)中的“大致長(zhǎng)方體形”進(jìn)行說(shuō)明。圖9是示意表示金屬片的平面 形狀(與照射的光的傳輸方向大致正交的面內(nèi)的形狀)的圖。即，“大致長(zhǎng)方體形”是指長(zhǎng) 方體的四角帶圓的形狀，這種情況下的長(zhǎng)邊與短邊分別指圖中的I及ι在該結(jié)構(gòu)中，Ti片的長(zhǎng)邊方向的等離子體共振波長(zhǎng)成為630 650nm。通過(guò)改變 相同形狀的Ti片的重復(fù)間距而使面積占有率變化。衰減量是以分貝表示照射在與Ti片的 長(zhǎng)邊方向平行的方向上具有電場(chǎng)振動(dòng)面的直線偏振波時(shí)的透射的光強(qiáng)度與照射的光強(qiáng)度 的比的量。圖中， 記號(hào)是實(shí)際得到的衰減量，用虛線表示的面積占有率與衰減量的關(guān)系中， 衰減量是假設(shè)簡(jiǎn)單地與面積占有率成比例而利用以下(3)式計(jì)算的衰減量Igeo。[數(shù)3]Igeo =10. l0g[/f” + /°(1_5)](3)
O式(3)中，I。是照射的光的強(qiáng)度、It是透射Ti片的光的強(qiáng)度、s是片的面積占有率。如圖所示，Ti片時(shí)，衰減量與面積占有率的增加一同增大，其值與簡(jiǎn)單地從面積占 有率計(jì)算的衰減量Igeo大體一致，此外，照射的光的電場(chǎng)振動(dòng)面與Ti片的短邊方向平行 時(shí)，其衰減量不依存面積占有率而約為ldB。在圖7示出關(guān)于金屬種類為Cr時(shí)，與圖6相同的面積占有率與衰減量的關(guān)系。Cr 片的形狀為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)邊、短邊及高度的尺寸分別是250nm、26nm及20nm?；寮半娊橘|(zhì)膜 與Ti片時(shí)相同，為石英玻璃及SiO2。在該結(jié)構(gòu)中，Cr片的長(zhǎng)邊方向的等離子體共振波長(zhǎng)成 為630 650nm。通過(guò)改變相同形狀的Cr片的重復(fù)間距而使面積占有率變化。圖7中，■記號(hào)是實(shí)際得到的衰減量，用虛線表示的面積占有率與衰減量的關(guān)系 與圖6相同地，衰減量是假設(shè)簡(jiǎn)單地與面積占有率成比例而計(jì)算的量。Cr片時(shí)，與Ti片時(shí) 相比，相同面積占有率中的衰減量較大，并且與用虛線表示的、所計(jì)算出的衰減量的差異也 大。此外，照射的光的電場(chǎng)振動(dòng)面與Cr片的短邊方向平行時(shí)，其衰減量不依存面積占有率 而約為IdB0在圖8示出關(guān)于金屬種類為Al時(shí)，與圖6、7相同的面積占有率與衰減量的關(guān)系。 Al片的形狀為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)邊、短邊及高度的尺寸分別是180nm、25nm及20nm?；寮半娊橘|(zhì)
7膜與Ti、Cr片時(shí)相同，為石英玻璃及SiO2。在該結(jié)構(gòu)中，Al片的長(zhǎng)邊方向的等離子體共振 波長(zhǎng)成為630 650nm。通過(guò)改變相同形狀的Al片的重復(fù)間距而使面積占有率變化。圖8中， 記號(hào)是實(shí)際得到的衰減量，用虛線表示的面積占有率與衰減量的關(guān)系 與圖6、7相同地，衰減量是假設(shè)簡(jiǎn)單地與面積占有率成比例而計(jì)算的量。Al片時(shí)，與Ti、Cr 片時(shí)相比，相同面積占有率中的衰減量較大，并且與用虛線表示的、所計(jì)算出的衰減量的差 異也大。此外，照射的光的電場(chǎng)振動(dòng)面與Al片的短邊方向平行時(shí)，其衰減量不依存面積占 有率而約為0. 5 0. 7dB。從圖6至圖8所示的結(jié)果中，應(yīng)特別寫(xiě)出的現(xiàn)象是雖然有程度之差，但在任何金 屬種類中，實(shí)際得到的衰減量都大于簡(jiǎn)單從面積占有率計(jì)算的衰減量。本結(jié)果其理論依據(jù) 尚未明確，但可以理解為暗示如下內(nèi)容在圖5中，不僅是照射到金屬片43的光，而且照射 到金屬片不存在的部分的光的一部分也通過(guò)金屬片43 “吸入”并衰減。在圖3示出綜合關(guān) 于從圖6至圖8所示的各金屬片的面積占有率與衰減量的關(guān)系的圖。在相同面積占有率 中，衰減量以Ti、Cr、Al的順序依次變大，并且實(shí)際上得到的衰減量與簡(jiǎn)單地從面積占有率 計(jì)算的衰減量的差異隨著該順序擴(kuò)大。即，根據(jù)發(fā)明者們的研究明確了矩形微粒子配設(shè)型偏振元件中的衰減量(與消光 比對(duì)應(yīng))不僅依存金屬片的吸收特性，而且還較大地依存這種“吸入效率”。因此，發(fā)明者們著眼于等離子體共振中的作為“吸收截面”的概念，通過(guò)導(dǎo)入該概 念發(fā)現(xiàn)了可以得到考慮前述金屬片的“吸入”能力的、面積占有率與衰減量的關(guān)系。等離子 體共振中的吸收截面Cabs由以下所示的(4)式給出。[數(shù)4]
2π · Hi ·ν F “ C = —_^__-__(4)abs ~ T2 · λ,12 +ε"2式(4)中，V是金屬片的體積，其他參數(shù)與前述的式(3)相同。通過(guò)比較式⑷和 式(3)可知吸收截面是吸收系數(shù)α乘上金屬片的體積V的值。在圖2示出關(guān)于各金屬片，在光的照射區(qū)域中的、衰減量對(duì)從式(4)得到的吸收 截面Cabs的總和與照射區(qū)域的面積的比率的變化。在此，吸收截面Cabs的總和與照射區(qū) 域的面積的比率未必限定于照射的光的區(qū)域，例如在與照射的光的區(qū)域相比充分寬的區(qū)域 中，與照射部相同地配設(shè)金屬片時(shí)，意味著關(guān)于該區(qū)域的吸收截面的總和與其面積的比率。如圖所示，可知實(shí)際得到的衰減量幾乎在一個(gè)曲線上分布。并且，如前所述，照射 的直線偏振波的電場(chǎng)振動(dòng)面處于與金屬片的短邊平行的方向時(shí)的衰減量若考慮不依賴于 金屬片的面積占有率而大致為ldB，則圖中所示的衰減量幾乎與消光比對(duì)應(yīng)。對(duì)偏振元件所要求的消光比根據(jù)其使用的領(lǐng)域而不同，但例如考慮液晶投影儀等 可見(jiàn)光區(qū)域中的應(yīng)用時(shí)，也依存其光學(xué)系統(tǒng)或所使用的位置，但大體要求15dB以上的消光 比。在矩形微粒子配設(shè)型偏振元件中，從圖2所示的結(jié)果，該消光比可實(shí)現(xiàn)金屬片的吸收截 面的總和與照射面積的比率為大致10以上。然而，通過(guò)本申請(qǐng)發(fā)明構(gòu)成的矩形微粒子配設(shè)型偏振元件中，為實(shí)現(xiàn)其偏振特性， 需有效地對(duì)所構(gòu)成的各金屬片產(chǎn)生等離子體共振。為此，首先需要將金屬片的形狀，換言之 為將去極化系數(shù)設(shè)定成以照射的光的波長(zhǎng)產(chǎn)生等離子體共振。這種條件在式(4)中通過(guò)將
8去極化系數(shù)L設(shè)定成吸收截面Cabs變得極大來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，吸收截面Cabs的極大值由以 下式給出。[數(shù)5]
^max 2π·ν {ε'-η2 +εη2/r、Cr = -τ- ·-——( 5 )
ληα ·ε式(5)中，C〗=為吸收截面Cabs的極大值。并且，若從光學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看用于有效地產(chǎn)生等離子體共振的條件，則需要通過(guò)照射 的光對(duì)各金屬片外加同樣的電場(chǎng)。此時(shí)，金屬片的高度最佳為照射的光的波長(zhǎng)的1/10以 下。并且，當(dāng)配設(shè)有金屬片的基板表面與照射的光的傳輸方向完全正交時(shí)，對(duì)該表面外加均 等的電場(chǎng)，所以只有在將其長(zhǎng)邊與短邊的比率規(guī)定成照射的光的波長(zhǎng)與金屬片的等離子體 共振波長(zhǎng)一致時(shí)，才不會(huì)對(duì)其尺寸制約。但是，實(shí)際上不會(huì)有“完全正交”的現(xiàn)象，所以作為 這些尺寸優(yōu)選為Iym以下。另一方面，從制造工藝等觀點(diǎn)來(lái)看，對(duì)金屬片的尺寸等造成如以下說(shuō)明的限制。發(fā)明者們關(guān)于長(zhǎng)方體的長(zhǎng)邊與短邊的比率為2. 5以上的情況和長(zhǎng)邊、短邊及高度 的尺寸比影響長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)的情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。其結(jié)果的一例示于圖10。圖 10是在橫軸刻度分割長(zhǎng)邊與高度的比率、在縱軸刻度分割短邊與高度的比率的圖。圖中，全 涂抹的區(qū)域101為獲得0. 01 0. 07范圍的長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)的值的區(qū)域，102是表示 長(zhǎng)邊與短邊的比率成為2. 5的長(zhǎng)邊與短邊的關(guān)系的線，103是表示該比率成為3. 5的關(guān)系的 線，104是該比率成為4. 5的關(guān)系的線，105是表示獲得長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)的值0. 03的 長(zhǎng)邊與短邊的關(guān)系的線。在區(qū)域101中，長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)當(dāng)短邊與高度的比率為一 定時(shí)，隨著長(zhǎng)邊與高度比率的增大而減少。長(zhǎng)方體形時(shí)，如線105所示，獲得一定值的長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)的長(zhǎng)邊與短邊 的關(guān)系并非規(guī)定成一個(gè)意義。例如，如圖所示，去極化系數(shù)為0. 03時(shí)，該去極化系數(shù)在長(zhǎng)邊 與短邊的比率為2. 5,3. 5及4. 5等時(shí)得到。此時(shí)，短邊方向及高度方向的去極化系數(shù)根據(jù) 長(zhǎng)邊與短邊的比率變化，但尤其是短邊方向的去極化系數(shù)與該比率的增大一同增加，其結(jié) 果長(zhǎng)邊方向的去極化系數(shù)與短邊方向的去極化系數(shù)之差就增大。另一方面，例如將長(zhǎng)方體(也包括大致長(zhǎng)方體形)形金屬片的長(zhǎng)邊方向的去極化 系數(shù)設(shè)定成對(duì)照射的光的波長(zhǎng)產(chǎn)生等離子體共振時(shí)，從將透射損耗抑制得較低的觀點(diǎn)來(lái) 看，最重要的是使短邊方向的等離子體共振波長(zhǎng)從照射的光的波長(zhǎng)充分遠(yuǎn)離。這種要求通 過(guò)加大長(zhǎng)邊方向與短邊方向的去極化系數(shù)之差，換而言之通過(guò)加大長(zhǎng)邊與短邊的比率來(lái)實(shí) 現(xiàn)(參照式(4)等)。S卩，例如若以圖10中的沿線105為例子，則最佳情況為短邊與高度的 比率及長(zhǎng)邊與高度的比率兩者均較小。但是，若想利用納米壓印光刻等穩(wěn)定批量生產(chǎn)由本申請(qǐng)發(fā)明構(gòu)成的矩形微粒子配 設(shè)型偏振元件時(shí)，長(zhǎng)方體形(也包括大致長(zhǎng)方體形)金屬片的短邊的尺寸及與鄰接片的間 隔的限度為大致30nm。并且，例如若考慮長(zhǎng)邊尺寸為短邊尺寸的4 5倍，則從謀求穩(wěn)定批 量生產(chǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，光的照射區(qū)域中的金屬片的幾何面積占有率的限度成為40 45%。此外，關(guān)于金屬片的高度也考慮從來(lái)自蝕刻工藝的制約為大致30nm的限度的情 況、及可見(jiàn)光區(qū)域(λ :400 600nm)中的應(yīng)用時(shí)，則金屬片的高度與照射的光的波長(zhǎng)的比 率成為3/40 1/20。
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以上，若考慮前述的金屬片形狀所涉及的限制、和為了實(shí)現(xiàn)15dB以上的消光比需 要將金屬片的吸收截面的總和與照射面積的比率設(shè)為大致10以上，則金屬片材料的介電 常數(shù)(ε ‘、ε 〃 )及金屬片的周邊介質(zhì)的折射率(na)需要滿足以下關(guān)系式。[數(shù)6]("-Ο2 + ε’'2 > 80(6)
ηα· ε" 對(duì)以下本申請(qǐng)發(fā)明利用實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。比較例作為比較例，利用真空沉積法或?yàn)R射法在1英寸角的石英玻璃基板上形成表1所 示的各金屬的30nm厚度的薄膜。(只有Ti薄膜利用真空沉積法)之后，使用納米壓印光刻 及離子蝕刻法形成了具有表1所示的長(zhǎng)邊與短邊的尺寸的大致長(zhǎng)方體形的各個(gè)金屬片。形 成各個(gè)片之后，通過(guò)用約400nm厚度的SiO2膜包覆各個(gè)金屬片制作了矩形微粒子配設(shè)型偏 振元件。另外，與鄰接的片的間隔為長(zhǎng)邊、短邊方向均為30nm。并且，形成有片的區(qū)域?yàn)榇?致5mmX5mm的區(qū)域，與后述的激光的照射區(qū)域相比為充分寬的區(qū)域。另外，用同樣的方法在1英寸角的石英玻璃基板上形成大致200nm厚度的薄膜 (只有Cr為IOOnm厚度)，使用橢圓光度法測(cè)量光的波長(zhǎng)在630nm中的折射率及消光系數(shù)， 從該折射率及消光系數(shù)求出表1所示的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。使用波長(zhǎng)為630nm、光束直徑約為Imm的半導(dǎo)體激光對(duì)各偏振元件測(cè)量了透射損 耗和消光比。關(guān)于各偏振元件，將所測(cè)量的消光比、形成有各個(gè)金屬片的區(qū)域(5mmX5mm) 中的片的幾何面積的占有率、及從式(4)求出的各個(gè)金屬片的吸收截面的總和與形成有各 個(gè)金屬片的區(qū)域的比率以(吸收截面)/(照射面積)示于表1。并且，在圖1中，將表1所示的各金屬的介電常數(shù)的實(shí)部與虛部的關(guān)系用Δ記號(hào)表 示。另外，表1所示的曲線為滿足以下(7)式的介電常數(shù)的實(shí)部與虛部的關(guān)系的曲線。[數(shù)7](g' ~ nI)2 + ε"2 = 80(7)
η α · ε “如圖1及表1所示，作為比較例使用的金屬時(shí)，其介電常數(shù)不滿足式(6)的關(guān)系， 并且得到的消光比也低至IOdB以下。[表 1]
權(quán)利要求
一種偏振元件，利用由電介質(zhì)層覆蓋的多個(gè)金屬片在對(duì)預(yù)定波長(zhǎng)的光具有透射性的基體上配設(shè)成島狀，并且該金屬片的等離子體共振頻率根據(jù)照射于該金屬片的光的偏振方向不同的性質(zhì)而顯現(xiàn)所希望的偏振特性，其特征在于，該金屬片的預(yù)定方向上的等離子體共振頻率與照射于該偏振元件的光的頻率大致相同，并且構(gòu)成該金屬片的金屬的該等離子體共振頻率中的介電常數(shù)的實(shí)部(ε′)、介電常數(shù)的虛部(ε″)、及該電介質(zhì)層的折射率(na)具有成為{(ε′ na2)2+ε″2}≥80·na·ε″的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的偏振元件，其特征在于，照射于該偏振元件的光的照射區(qū)域中的該金屬片的、相對(duì)于該照射的光的傳輸方向大 致正交的面內(nèi)的幾何截面的總和小于該光的照射區(qū)域的面積，并且該金屬片的等離子體共 振頻率中的吸收截面的總和為該照射區(qū)域的面積的10倍以上。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的偏振元件，其特征在于，該金屬片的形狀為大致長(zhǎng)方體形，并且在該金屬片的聚集體中該大致長(zhǎng)方體的最長(zhǎng)的 邊沿大致一定的方向?qū)R。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的偏振元件，其特征在于，該金屬片的形狀為大致橢圓柱形，橢圓的長(zhǎng)軸沿大致一定的方向?qū)R。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的偏振元件，其特征在于，該金屬片的與該照射的光的傳輸方向平行的方向的長(zhǎng)度為該照射的光的波長(zhǎng)的1/10 以下，并且與該照射的光的傳輸方向正交的面內(nèi)的該金屬片的尺寸為1 P m以下。
6.如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的偏振元件，其特征在于，構(gòu)成該金屬片的金屬為A1，或者包含A1與Si、Ag、Au中的至少一種的A1合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏振元件，其利用金屬片的等離子體共振頻率根據(jù)照射于該金屬片的光的偏振方向不同的性質(zhì)，并通過(guò)設(shè)為由如下金屬片的聚集體構(gòu)成的偏振器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該金屬片為如下該金屬片的預(yù)定方向上的等離子體共振頻率與照射于該偏振元件的光的頻率大致相同，并且構(gòu)成該金屬片的金屬的該等離子體共振頻率中的介電常數(shù)的實(shí)部(ε′)、介電常數(shù)的虛部(ε″)、及該電介質(zhì)層的折射率(na)具有成為{(ε′-na2)2+ε″2}≥80·na·ε″的關(guān)系。
文檔編號(hào)G02B5/30GK101960342SQ20098010744
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者三浦義從, 小林英雄, 暮石光浩, 曾根原壽明 申請(qǐng)人:Hoya株式會(huì)社