專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬光柵偏振器，特別涉及一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器。
背景技術(shù)：
偏振器件是光學(xué)器件中使用最早、應(yīng)用最廣的器件之一。通常產(chǎn)生偏振光的器件有偏振棱鏡、介質(zhì)膜層結(jié)構(gòu)、二向色性偏振片等。金屬光柵偏振器是一種新興的基于微納結(jié)構(gòu)的偏振器件，較傳統(tǒng)的偏振器件具有體積小、片子薄、易集成、性能高等優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于光纖通信、液晶顯示、光學(xué)投影、光電檢測(cè)等領(lǐng)域。其通常的制作方法是在基底表面鍍金屬薄膜，再鍍一層光刻膠作為掩膜版，使用電子束直寫(xiě)的方式在光刻膠表面形成光柵結(jié)構(gòu)，然后采用離子束蝕刻工藝，將光刻膠上的槽形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜上，形成金屬光柵，即完成了金屬光柵偏振器模板的制作。采用納米壓印技術(shù)，可將模版復(fù)制出更多的結(jié)構(gòu)相同、 參數(shù)相同的金屬光柵偏振器。
入射光到達(dá)金屬光柵表面時(shí)，電場(chǎng)方向平行于光柵刻槽的TE分量(橫電波)能夠激發(fā)金屬光柵的電子而產(chǎn)生電流，使該分量的偏振光發(fā)生反射；電場(chǎng)方向垂直于光柵刻槽方向的TM分量(橫磁波)無(wú)法激發(fā)金屬中的電子，因此不會(huì)被反射，除少量吸收外，大部分能夠通過(guò)光柵層，形成透射光，因此金屬光柵的透射光中，TM分量遠(yuǎn)多于TE分量，具有很強(qiáng)的偏振分光特性。
衡量偏振分束器的主要指標(biāo)有消光比Ex和透過(guò)率TTM。其中消光比定義為T(mén)M分量透射率與TE分量透過(guò)率的比值，因此數(shù)值越大越好；ΤΤΜ是指TM分量的透過(guò)率，反映了偏振器件的能量利用率，越接近I越好；ΤΤΕ是指TE分量的透過(guò)率。然而就單層金屬光柵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，消光比Ex和透過(guò)率Ttm是一對(duì)矛盾的量，提高占空比、金屬光柵深度等方法可以提高偏振器的消光比，卻要犧牲TM分量的透過(guò)率。因此單層結(jié)構(gòu)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高消光比和高透過(guò)率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)單層金屬光柵很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高消光比和高透過(guò)率的問(wèn)題，提出了一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，采用雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高消光比Ex和透過(guò)率 ΤΤΜ，再使用長(zhǎng)度可調(diào)的伸縮機(jī)制，有效調(diào)諧偏振分束器的中心波長(zhǎng)，從而滿足不同波段的應(yīng)用需求。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，包括具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的上下兩層獨(dú)立正對(duì)的金屬光柵偏振器，可伸縮材料固定在上下兩層金屬光柵偏振器之間，并上下兩金屬光柵面保持平行，不同驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)可伸縮材料，對(duì)應(yīng)不同可伸縮材料長(zhǎng)度，兩金屬光柵偏振器之間的距離為中間可伸縮材料的長(zhǎng)度。
所述金屬光柵偏振器由基底和金屬光柵組成，在玻璃或石英基底上刻蝕制作金屬光柵，金屬光柵具有槽形、槽寬、槽深、槽間距離，上下兩層金屬光柵偏振器的槽形參數(shù)、光柵槽形方向一致。
所述可伸縮材料為壓電陶瓷，分辨率可達(dá)到納米精度。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，能夠同時(shí)獲得很高的消光比Ex和透過(guò)率TTM，并且偏振器的中心波長(zhǎng)可調(diào)，能夠在整個(gè)可見(jiàn)光波段內(nèi)調(diào)諧。本結(jié)構(gòu)只是將參數(shù)相同的兩塊線柵偏振器進(jìn)行疊加，制作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的可行性。


圖I為單層金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為單層金屬光柵結(jié)構(gòu)的透過(guò)率Ttm和Tte特性曲線圖；圖4為單層金屬光柵結(jié)構(gòu)的消光比Ex特性曲線圖；圖5為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器透過(guò)率Ttm和Tte特性曲線圖；圖6為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器消光比Ex特性曲線圖；圖7為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器壓電陶瓷伸縮時(shí)透過(guò)率Ttm特性曲線圖；圖8為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器壓電陶瓷伸縮時(shí)透過(guò)率Tte特性曲線圖；圖9為本發(fā)明可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器壓電陶瓷伸縮時(shí)消光比Ex特性曲線圖。
具體實(shí)施方式
圖I為單層金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)有金屬光柵周期λ、金屬線寬d和光柵槽深h。假設(shè)金屬材料為鋁，光柵槽形為矩形槽形，基底為K9玻璃，其厚度為5mm，光柵周期為lOOnm，金屬線寬為50nm，光柵槽深為50nm。根據(jù)以上參數(shù)，可計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的偏振特性，如圖3所示為360nm到780nm波段內(nèi)偏振器的透過(guò)率Ttm和透過(guò)率Tte的變化曲線，圖4 為消光比Ex的變化曲線。從圖中可以看出，隨著波長(zhǎng)的增加，Ttm和Ex都有增大的趨勢(shì)，但中間起伏也很明顯，其中740nm是有最高的消光比(約為150)和較大的TM分量透過(guò)率(約為 90%) ο
如圖2所示可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)示意圖，上下兩塊基底1，基底I 上有金屬光柵2,上下金屬光柵正對(duì)，中間為伸縮材料3如壓電陶瓷。
上金屬光柵層即在玻璃或石英基底上制作金屬光柵；表征它的參數(shù)有周期、占空比、槽深和槽形。另外，不同金屬材料也有著不同的偏振效果。通?？梢?jiàn)波段金屬鋁具有較好的偏振性能，因此本發(fā)明中以金屬鋁為例來(lái)表述雙層金屬光柵偏振器的偏振特性。下金屬光柵層與上光柵層一樣，是一個(gè)獨(dú)立的金屬光柵偏振器，其槽形參數(shù)、光柵槽形方向與上光柵層一致?？缮炜s機(jī)制一壓電陶瓷壓電陶瓷在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下對(duì)應(yīng)不同的長(zhǎng)度。 將三片壓電陶瓷固定在上下兩層金屬光柵之間，并確保上下兩光柵面保持平行。因此兩光柵層之間的距離就是壓電陶瓷的長(zhǎng)度。用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)三片同樣規(guī)格的壓電陶瓷，確保不同的驅(qū)動(dòng)電壓下兩光柵層任然平行。因此不同的驅(qū)動(dòng)電壓將對(duì)應(yīng)不同兩個(gè)金屬光柵層的間距，一般壓電陶瓷的分辨率可以達(dá)到納米，伸縮范圍在幾十微米。
假設(shè)其上下兩層的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖I中的光柵參數(shù)相同，并且兩層的間距為 5mm，壓電陶瓷長(zhǎng)度調(diào)諧范圍為15ΜΠ1。若固定間距為5mm，此時(shí)可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器的透過(guò)率Ttm和Tte特性曲線如圖5所示。較單層線柵偏振器結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)的TM偏振透過(guò)率沒(méi)有明顯改善，且抖動(dòng)隨波長(zhǎng)變化更為明顯，但TE偏振透過(guò)率大幅下降，使得消光比大為提高。缺點(diǎn)是雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成了類(lèi)似的F-P腔，因此對(duì)波長(zhǎng)具有很大的選擇性，如圖 6所示可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器消光比Ex特性曲線圖，微弱的波長(zhǎng)差距會(huì)導(dǎo)致消光比的極大差距。為此，需要使用壓電陶瓷來(lái)調(diào)諧兩層金屬光柵之間的距離以滿足特定的波長(zhǎng)。假設(shè)壓電陶瓷的伸縮范圍為500nm，分辨率為5nm，入射光中心波長(zhǎng)550nm，則該可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器的透過(guò)率Ttm、Tte和消光比Ex特性曲線圖如圖7 9所示。隨著距離的增大，500nm運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)出現(xiàn)了 3個(gè)TM透射峰值，TE透射也出現(xiàn)了 3個(gè)峰值，但位置正好錯(cuò)開(kāi)，同時(shí)消光比Ex也出現(xiàn)3個(gè)峰值，峰值消光比可達(dá)到16000。由此可見(jiàn)，對(duì)于550 的入射波長(zhǎng)，壓電陶瓷伸縮長(zhǎng)度為50nm，240nm和430nm時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)具有最佳的Ttm和Ex。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，其特征在于，包括具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的上下兩層獨(dú)立正對(duì)的金屬光柵偏振器，可伸縮材料固定在上下兩層金屬光柵偏振器之間，并上下兩金屬光柵面保持平行，不同驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)可伸縮材料，對(duì)應(yīng)不同可伸縮材料長(zhǎng)度，兩金屬光柵偏振器之間的距離為中間可伸縮材料的長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，其特征在于，所述金屬光柵偏振器由基底和金屬光柵組成，在玻璃或石英基底上刻蝕制作金屬線光柵，金屬線光柵具有槽形、槽寬、槽深、槽間距離，上下兩層金屬光柵偏振器的槽形參數(shù)、光柵槽形方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，其特征在于，所述可伸縮材料為壓電陶瓷，分辨率可達(dá)到納米精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧高消光比金屬光柵偏振器，包括具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的上下兩層獨(dú)立正對(duì)的金屬光柵偏振器，可伸縮材料固定在上下兩層金屬光柵偏振器之間，并上下兩光柵面保持平行，不同驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)可伸縮材料，對(duì)應(yīng)不同可伸縮材料長(zhǎng)度，兩金屬光柵偏振器之間的距離為中間可伸縮材料的長(zhǎng)度。此結(jié)構(gòu)的金屬光柵偏振器能夠同時(shí)獲得很高的消光比Ex和透過(guò)率TTM，并且偏振器的中心波長(zhǎng)可調(diào)，能夠在整個(gè)可見(jiàn)光波段內(nèi)調(diào)諧。本結(jié)構(gòu)只是將參數(shù)相同的兩塊線柵偏振器進(jìn)行疊加，制作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的可行性。
文檔編號(hào)G02F1/055GK102929000SQ20121049944
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者凌進(jìn)中, 張磊, 裴梓任, 錢(qián)林勇, 王中飛, 韓姍, 王 琦, 黃元申, 張大偉, 莊松林 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)