專利名稱：一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振片，具體涉及一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，可應(yīng)用于液晶顯示、光通信等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
偏振片是液晶顯示、光學(xué)測量、光通信等系統(tǒng)中使用的一種非常重要的光學(xué)組件，具有非常廣闊的市場。這些系統(tǒng)中要求偏振片具有高消光比、寬廣的入射角度范圍和非常緊湊的體積。傳統(tǒng)的偏振片體積過大、制作過程復(fù)雜，而且僅僅在較小的波長范圍內(nèi)具有大的消光比，已經(jīng)不能滿足顯示、光通信等行業(yè)輕量型、超薄型、低成本的要求。因此，如何設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工、性價比高的偏振片，成為該領(lǐng)域研究發(fā)展的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，金屬光柵結(jié)構(gòu)具有獨特的偏振性能，引起了人們的關(guān)注。金屬光柵結(jié)構(gòu)具有偏振性能的原因在于垂直于光柵矢量(TE偏振)和平行于光柵矢量(TM偏振)偏振光的邊界條件不同，其等效折射率也不同。附圖I為一維矩形金屬光柵的結(jié)構(gòu)圖及產(chǎn)生偏振性能的原理圖。其中，11為透明基底，12為金屬光柵，金屬光柵的周期為P，脊部寬度為W，高度為H，13為光源。由光源13產(chǎn)生的非偏振光(包含TM偏振光和TE偏振光)以入射角Θ入射到該偏振片。TE偏振(又稱s偏振)激發(fā)金屬線的電子而產(chǎn)生電流，使得該方向的偏振光反射，而TM偏振(又稱P偏振)由于該方向上有空氣間隙將金屬線隔離而無法引發(fā)電流，此時光波會透射過去。這樣就實現(xiàn)了入射光中振動方向互相垂直的兩個偏振態(tài)P、S的分離，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振特性。對于周期小于入射波長的光柵(稱為亞波長光柵)，傳統(tǒng)的標(biāo)量衍射理論已不再適用，需要用嚴(yán)格的矢量衍射理論來描述。研究表明，能夠用于可見光光譜范圍的性能較好(高透射效率、高消光比)的金屬偏振光柵的周期都很小，通常要求小于200nm。電子束曝光、反應(yīng)離子刻蝕、納米壓印技術(shù)等微納米加工技術(shù)的發(fā)展，使得加工線寬小于100nm的光柵成為可能。由于亞波長金屬光柵體積小、易于集成、偏振特性好，很多科研人員對其相應(yīng)的理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝等進(jìn)行了深入研究。美國專利US7158302公開了一種雙金屬層偏振片，在500-700nm波長范圍，TM光的透射效率大于70%，在整個可見光波段(400-700nm)，TM光的透射效率大于63%。因此，在寬波段(400-700nm波段)TM光的透射效率有待提聞。因此，本發(fā)明主要解決的問題是提高寬波段范圍TM光的透射效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，使得該偏振片在寬波段、大入射角度范圍，TM光的透射效率得到提高。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，包括透明基底、介質(zhì)光柵、第一金屬層、第二金屬層，所述介質(zhì)光柵具有周期性間隔設(shè)置的脊部和溝槽，所述第一金屬層位于介質(zhì)光柵的脊部，所述第二金屬層位于介質(zhì)光柵的溝槽中，介質(zhì)光柵的周期小于入射光波長，所述第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，所述第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度。上述技術(shù)方案中，所述介質(zhì)光柵的脊部高度大于第一金屬層和第二金屬層的高度；所述第一金屬層與所述介質(zhì)光柵的脊部寬度差等于所述第二金屬層與所述介質(zhì)光柵的溝槽寬度差；所述介質(zhì)光柵的周期小于等于200nm ;脊部寬度與周期的比值小于O. 5 ;所述第一金屬層和第二金屬層的厚度為30 70nm ;所述基底與介質(zhì)光柵為透明柔性材料或者玻璃；所述第一金屬層與第二金屬層的的材質(zhì)相同。上述技術(shù)方案中，由于第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度，增強(qiáng)了第一金屬層與第二金屬層之間的耦合作用，使得更多的能量集中于第一金屬層與第二金屬層之間，最終提高TM偏振光的透射效率。由于上述技術(shù)方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點I.與現(xiàn)有的雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)(第一金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的脊部寬度,所 述第二金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)相比，本發(fā)明中第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，所述第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度，使得更多的能量集中在第一金屬層與第二金屬層之間，最終提高TM偏振光的透射效率。2.本發(fā)明中的偏振片在寬波段(如可見光波段、紅外波段)、大入射角度范圍，TM偏振光的透射效率得到提高。(需要說明具體的入射角度范圍嗎？)3.通過調(diào)整介質(zhì)光柵的周期、厚度、第一金屬層和第二金屬層的厚度、介質(zhì)光柵的脊部寬度、第一金屬層和第二金屬層的寬度等參數(shù)可以獲得高TM光透射效率和高透射消光比，設(shè)計很靈活。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為一維矩形金屬光柵的結(jié)構(gòu)圖及產(chǎn)生偏振性能的原理圖。圖2為本發(fā)明實施例中設(shè)計的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例一中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖4為本發(fā)明實施例一中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。圖5為本發(fā)明實施例二中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM偏振光的透射效率與入射波長、入射角的關(guān)系圖。圖6為本發(fā)明實施例二中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的透射消光比與入射波長、入射角的關(guān)系圖。圖7為本發(fā)明實施例三中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖8為本發(fā)明實施例三中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。圖9為本發(fā)明實施例四中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖10為本發(fā)明實施例四中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。圖11為本發(fā)明實施例五中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖12為本發(fā)明實施例五中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。圖13是本發(fā)明第六實施例的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為本發(fā)明實施例六中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖15為本發(fā)明實施例六中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。圖16是本發(fā)明第七實施例的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17為本發(fā)明實施例七中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射效率與入射波長的關(guān)系圖。圖18為本發(fā)明實施例七中亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的TM光的透射消光比與入射波長的關(guān)系圖。
具體實施例方式參見附圖2，為亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖中可見,21為基底,22為介質(zhì)光柵,23為第一金屬層,24為第二金屬層,25為入射光。介質(zhì)光柵22的高度為hl，第一金屬層23和第二金屬層24的高度為h2，介質(zhì)光柵的周期為P，脊部寬度為W,占寬比F=w/p,金屬層與介質(zhì)層的高度差為h。第一金屬層23的寬度大于介質(zhì)光柵22的脊部寬度,第二金屬層24的寬度小于介質(zhì)光柵22的溝槽寬度，第一金屬層23的寬度與介質(zhì)光柵22的脊部寬度差為2*A,第一金屬層的寬度為p*F+2*A，第二金屬層24的寬度與介質(zhì)光柵22的溝槽寬度差為2*d，第二金屬層24的寬度為p*(l-F)-2*d。在一種實施方式中，A等于d,在其它實施方式中，A也可以大于或小于do在本發(fā)明中，光柵周期P的優(yōu)選范圍為P彡200nm,占寬比F〈0. 5，兩層金屬層的厚度在30nm 70nm之間，基底21與介質(zhì)光柵22為透明柔性材料或者玻璃。通常用透射效率和透射消光比來衡量偏振片的性能的好壞。透射消光比是指TM偏振光的透射效率與TE偏振光的透射效率的比值。定義TM光的透射效率為Ttm，TE光的透射效率為Tte，透射消光比Text=IOlg (Ttm/Tte)。下面，將以具體的實施方式對本發(fā)明做詳細(xì)說明。實施例一入射光25為可見光，波長為400nm — 700nm ;基底21為聚酯薄膜(PET)，折射率為1.48 ;介質(zhì)光柵22為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，折射率為1.48 ;第一金屬層23和第二金屬層24為招。偏振片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下介質(zhì)光柵的高度hl=0. 07um,金屬層的高度h2 =0.05um,介質(zhì)光柵的周期 p=0. Ium,脊部寬度 w = O. 04um,占寬比 F=w/p=0. 4。A=d=0. 0075um和A=d=0um時，TM光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，A=d=0Um (即第一金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于50%，A=d=0. 0075um (即第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于78%?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。從圖4可以看出，A=d=0um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比大于32dB，A=d=0. 0075um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比約大于34dB?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的偏振片的消光比沒有明顯變化。可以看出，本發(fā)明中的偏振片在寬波段范圍，TM偏振光的透射效率得到提高。
實施例二 本實施例研究A=d=0. 0075um (即第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，入射角度的變化對TM光的透射效率的影響，其他參數(shù)與實施例一中的一致。入射光的入射角度在O到60度范圍變化。圖5為TM偏振光的透射效率與入射波長、入射角的關(guān)系圖。圖6為TM偏振光的透射消光比與入射波長、入射角的關(guān)系圖。從圖5可以看出，當(dāng)入射光的入射角度在O到60度范圍變化時，TM偏振光在整個可見光波段的透射效率大于77%。從圖6可以看出，當(dāng)入射光的入射角度在O到60度范圍變化時，TM偏振光在整個可見光波段的透射消光比大于30dB?？梢钥闯觯景l(fā)明中的偏振片在寬波段、寬角度范圍，TM偏振光的透射效率得到提聞。實施例三本實施例增大介質(zhì)光柵的周期，研究TM光的透射效率和透射消光比隨波長的變化，其他參數(shù)與實施例一中的一致。介質(zhì)光柵的周期P=O. 18um。入射光25為可見光，波長為400nm — 700nm ;基底21為聚酯薄膜(PET)，折射率為
1.48 ;介質(zhì)光柵22為PMMA，折射率為I. 48 ;第一金屬層23和第二金屬層24為鋁。偏振片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下介質(zhì)光柵的高度hl=0. 07um,金屬層的高度h2 = O. 05um,介質(zhì)光柵的脊部寬度 w = O. 072um,占寬比 F=w/p=0. 4。A=d=0. 0075um 和 A=d=0um 時，TM 光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，A=d=0Um (即第一金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于40%，A=d=0. 0075um (即第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于60%?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。從圖8可以看出，A=d=0um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比大于32dB，A=d=0. 0075um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比約大于34dB?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的偏振片的消光比沒有明顯變化?？梢钥闯?，本發(fā)明中的偏振片在寬波段范圍，TM偏振光的透射效率得到提高。
實施例四本實施例研究非垂直入射條件下(入射角度為40度)，TM光的透射效率和透射消光比隨波長的變化，其他參數(shù)與實施例一中的一致。介質(zhì)光柵的周期P=O. 15um。TM光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖9、圖10所示。從圖9可以看出，非垂直入射條件下(入射角度為40度)，A=d=0Um (即第一金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于45%，A=d=0. 0075um(即第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在整個可見光波段的透射效率大于70%?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。從圖10可以看出，A=d=0um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比大于30dB，A=d=0. 0075um時，TM光在整個可見光波段的透射消光比約大于32dB?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的偏振片的消光比沒有明顯變化。 因此，非垂直入射條件下，本發(fā)明設(shè)計的偏振片結(jié)構(gòu)的TM光在整個可見光波段的透射效率得到了提高。也就是說，本發(fā)明中的偏振片在寬波段、大入射角度范圍，TM偏振光的透射效率得到提高。實施例五本實施例研究垂直入射條件下(入射角度為O度)，可見至紅外波段TM光的透射效率和透射消光比隨波長的變化，其他參數(shù)與實施例一中的一致。介質(zhì)光柵的周期P=O. lum。TM光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖11、圖12所示。從圖11可以看出，A=d=0Um (即第一金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度等于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在可見至紅外波段的透射效率大于50%，A=d=0. 0075um (即第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度、第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度)時，TM光在可見至紅外波段的透射效率大于75%?？梢钥闯鲈谙嗤慕Y(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。從圖12可以看出，A=d=0um時，TM光在可見至紅外波段的透射消光比大于32dB，A=d=0. 0075um時，TM光在可見至紅外波段的透射消光比約大于34dB。可以看出在相同的結(jié)構(gòu)條件下，本發(fā)明設(shè)計的偏振片的消光比沒有明顯變化?？梢钥闯?，本發(fā)明中的偏振片在寬波段范圍，TM偏振光的透射效率得到提高。實施例六參見圖13,在本實施例中，給出了 A小于d的情況。其中入射光25為可見光,波長為400nm — 700nm ;基底21為聚酯薄膜(PET)，折射率為I. 48 ;介質(zhì)光柵22為PMMA，折射率為I. 48 ;第一金屬層23和第二金屬層24為鋁。偏振片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下介質(zhì)光柵的高度hl=0. 07um,金屬層的高度h2 = O. 05um,介質(zhì)光柵的周期p=0. lum,脊部寬度w = O. 02um,占寬比F=w/p=0. 2。當(dāng)A=O. Olum, d=0. 02um時,TM光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖14、圖15中所示。從圖14、圖15可以看出，TM光在整個可見光波段的透射效率大于90%，透射消光比大于28dB?？梢钥闯?，該實施方式下結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。實施例7 請參見圖16，本實施例給出了 A大于d的情況，其中入射光25為可見光，波長為400nm 一 700nm ;基底21為聚酯薄膜(PET)，折射率為I. 48 ;介質(zhì)光柵22為PMMA，折射率為I. 48 ;第一金屬層23和第二金屬層24為鋁。偏振片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下介質(zhì)光柵的高度hl=0. 07um,金屬層的高度h2 = O. 05um,介質(zhì)光柵的周期p=0. lum,脊部寬度w = O. 02um,占寬比F=w/p=0. 2。當(dāng)A=O. 02um, d=0. 015um時，TM光的透射效率、消光比與波長的關(guān)系分別如圖17、圖18中所示。從圖17、圖18可以看出，TM光在整個可見光波段的透射效率大于70%，透射消光比大于37dB?？梢钥闯?，本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)的透射效率明顯提高。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍?！?br> 權(quán)利要求
1.一種亞波長才光柵結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于包括透明基底、介質(zhì)光柵、第一金屬層、第二金屬層，所述介質(zhì)光柵具有周期性間隔設(shè)置的脊部和溝槽，所述第一金屬層位于介質(zhì)光柵的脊部，所述第二金屬層位于介質(zhì)光柵的溝槽中，介質(zhì)光柵的周期小于入射光波長，所述第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，所述第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于所述介質(zhì)光柵的脊部高度大于第一金屬層和第二金屬層的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于所述第一金屬層與所述介質(zhì)光柵的脊部寬度差等于所述第二金屬層與所述介質(zhì)光柵的溝槽寬度差。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于所述介質(zhì)光柵的周期小于等于200nm ;脊部寬度與周期的比值小于O. 5 ;所述第一金屬層和第二金屬層的厚度為30nm 70nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于所述基底與介質(zhì)光柵為透明柔性材料或者玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，其特征在于所述第一金屬層與第二金屬層的的材質(zhì)相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)偏振片，包括透明基底、介質(zhì)光柵、第一金屬層、第二金屬層，介質(zhì)光柵具有周期性間隔設(shè)置的脊部和溝槽，第一金屬層位于介質(zhì)光柵的脊部，第二金屬層位于介質(zhì)光柵的溝槽中，介質(zhì)光柵的周期小于入射光波長，第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度，介質(zhì)光柵的脊部高度大于第一金屬層的高度和第二金屬層的高度。與現(xiàn)有的雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明中第一金屬層的寬度大于介質(zhì)光柵的脊部寬度，第二金屬層的寬度小于介質(zhì)光柵的溝槽寬度，使得更多的能量集中在第一金屬層與第二金屬層之間，最終提高了寬波段、大入射角度范圍TM偏振光的透射效率。
文檔編號G02B5/30GK102879849SQ201210419189
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者周云, 陳林森, 申溯, 葉燕 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司