復合結構雙層金屬光柵偏振分束器的制造方法
【技術領域】
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[0001]本專利涉及偏振光分束器件技術領域，特別是一種基于復合結構金屬光柵、利用表面等離子體波導截止效應產(chǎn)生的角度可調(diào)、橫電場反射、橫磁場衍射或透射的寬光譜偏振光分束光柵。屬于光學領域中的偏振分束器件。
【背景技術】
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[0002]偏振光被廣泛的應用于現(xiàn)代光學技術及其應用中，比如平板顯示和三維立體顯不、光通訊、光存儲、和光傳感等。偏振光分束器是將入射光分成偏振方向相互垂直的兩束光的光學器件，是現(xiàn)代光學系統(tǒng)中的重要元器件。進一步的，具有寬入射角度范圍和寬工作光譜的大角度、寬帶偏振光分束器更具有實際的應用價值。
[0003]傳統(tǒng)的偏振光分束器通常是基于雙折射晶體或多層介質(zhì)膜等具有二向色性的物質(zhì)，它們的缺點在于:對光的入射角度敏感，而且受到實際晶體和介質(zhì)的折射率的限制，工作波段窄。另外，體積大、成本高、加工工藝復雜等缺點也使傳統(tǒng)偏振光分束器件不能滿足當前光學器件的小型化、集成化和高效化等要求。隨著微納加工技術的發(fā)展，具有優(yōu)良偏振特性的亞波長光柵受到人們廣泛關注和研究，它具有體積小、易集成、和設計靈活的特點。
[0004]受到實際介質(zhì)折射率的限制，介質(zhì)光柵通常工作在紅外光波段。它的偏振效應是由光柵對TM(電場垂直于光柵方向)和TE(電場平行于光柵方向)偏振光的等效折射率不同而引起的；在干涉效應的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波長有關的特定的方向上。受此工作原理的限制，介質(zhì)光柵只能做成窄帶和特定入射角度的偏振分束器件。
[0005]十九世紀末H.R.Hertz (H.Hertz , Ann.Phys.Chem.36,769 (1889))就發(fā)現(xiàn)只有偏振方向和線柵方向垂直的微波才能通過線柵結構，之后人們開始研究線柵對偏振電磁波的透射的影響。受當時工藝條件、計算方法和條件的限制，在光波領域中的研究進展緩慢。直到二十世紀末，人們才制備出周期小于可見光波長的單層金屬光柵，研究發(fā)現(xiàn)金屬光柵有更高的光學效率和更高的出射光偏振比。之后研究發(fā)現(xiàn)制作工藝更加簡單的雙層金屬光柵雖然對TM光的透射效率有所降低，但是偏振抑制比有了明顯提高。
[0006]但是，不論介質(zhì)光柵還是金屬光柵，人們研究的大多數(shù)是其透射性質(zhì)，從而應用到透身才式偏振片。1988年，T.W.Ebbesen(〃Extraordinary optical transmiss1n throughsub-wavelength hole arrays 利用亞波長孔陣列增強光透射〃，T.W.Ebbesen，H.J.Lezec,
H.F.Ghaemi,T.Th1,and P.A.Wolff ,Nature 391,667(1998))利用金屬板中的二維空氣孔陣列，突破衍射極限，增強了光的透射效率。2002年H.J.Lezec等人("Beaming Light froma subwavelength Aperture亞波長狹縫分光〃，H.J.Lezec，A.Degiron，E.Devaux，R.A.Linke,L.Mart in-Moreno ,F.J.Garcia-VidaI,and T.ff.Ebbesen, Science 297,820(2002))利用金屬狹縫實現(xiàn)了垂直入射的特定波長的光的有角度透射。2005年LG的S.W.Ahn等人("Fabricat1n of a 50nm half-pitch wire grid polarizer using nanoimprintlithography半周期50nm的線柵偏振片的納米壓印制備〃 ,Nanotechnoloty 16，1874(2005))用納米壓印的方法制備出10nm周期的金屬光柵，獲得波長450nm的TM偏振光的透射效率85 %，消光比達到2000。2012年L.Wang等人(“High performance Al b1-layerwire-grid polarizer for deep-ultrav1let to infrared !modeling and design從紫外到紅外光的雙層線柵高性能偏振器:模型和設計”，Li Wang,Harun H.Solak,and YasinEkinci，Proc.0f SPIE，8424，842429(2012))模擬研究了雙層光柵的TM和TE偏振光的透射效率，并由對比證明雙層金屬TM透射率雖然小于單層金屬，但偏振抑制比超過單層1-2個量級。但是這些文章只研究了光的透射效率，另一方面他們設定的的光柵周期以及狹縫寬度遠遠小于入射光波長，一般只有幾十到一百多納米，此時對可見光的衍射效應也已經(jīng)消失；從制備工藝上考慮，周期越小制備越困難。而且他們沒有研究光入射角度對透射效率的影響，一般只是垂直入射。
[0007]反射式偏振片比透射式偏振片在光電集成等方面更具優(yōu)勢，但是反射式光柵偏振片的相關報道比較少，而且局限于某個波長或很窄的波段，以及某特殊入射角。1997年Carlos Lima等人(“Reflecting polarizing beam splitter反身才式偏振光分束器”，Carlos R.A.Lima,Leandro L.Soares,Lucila Cescato,and Angelo L.Gobbi ,OpticsLetters 203，203(1997))研究了單一波長632.8nm的光，以特定角度入射到單層金屬光柵的偏振分光情況，在干涉效應的作用下，實現(xiàn)TM偏振光被反射，TE偏振光被背向衍射。2001年美國專利US6243199B1 “Broad band wire grid polarizing beam splitter for usein the visible wavelength reg1n可見光波段的寬帶線柵偏振光分束器”提出利用周期小于210nm的金屬光柵實現(xiàn)TM透射/TE反射的偏振光分束器，消光比達到100。2002年美國專利US2002/0191286Al〃Polarisers and mass-product1n method and apparatus forpolar isers偏振片及其大規(guī)模制備方法〃提出一種傾斜蒸鍍金屬的金屬光柵制備方法，以提高TM透射效率，抑制TE透射效率。
[0008]總之，之前對光柵偏振特性的研究大多是利用光波的干涉效應，這就不可避免窄工作帶寬和特定入射角度。要得到寬帶和大角度入射范圍的偏振分束器，需要利用金屬光柵。任意波長的TM偏振光都可以以表面等離子體導波模式進入到金屬光柵中的狹縫;小于某個截止波長的TE偏振光可以以正常的導波模式進入金屬光柵，大于截止波長的TE光無法進入光柵。所以TM偏振光可以感受到光柵結構，從而在合適的光柵周期下被衍射。大于截止波長的TE偏振光感受不到光柵結構，相當于入射到一塊金屬平面上，從而幾乎被完全反射。具體原理見已經(jīng)發(fā)表的文章:Scientif ic Reports 4，6491 (2014)和IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics 19,4800205(2013)。它完全區(qū)別于傳統(tǒng)的晶體、多層膜、或者介質(zhì)光柵。以此為基礎可以制備表面等離子體偏振分束器，不僅在性能上有寬譜、廣角的特點，而且制備工藝簡單，適于大規(guī)模生產(chǎn)，易于集成。其中，周期較大的光柵，制備工藝較簡單，成本較低，并且更易于量產(chǎn)。但是在光柵周期大，狹縫寬的情況下，TE偏振光也會以常規(guī)波導模式進入狹縫，從而產(chǎn)生衍射、透射，降低反射、透射、和其它衍射方向上的偏振抑制比。因此我們提出在大的狹縫里添加介質(zhì)-金屬柱(條)，以將原本寬的狹縫分割成窄的狹縫，阻止TE光的進入。200 5年D.C.Ski gin和R.A.Depine ("Transmiss1nresonances of metallic compound grating with subwavelength亞波長金屬復合光極的透射共振〃，Phys.Rev.Lett.95,217402(2005))曾提出將常規(guī)單層金屬光柵中的狹縫改成幾個(1-5個)間隔均勻的狹縫，發(fā)現(xiàn)由于狹縫間的透射共振效應，透射峰變寬，并在其中出現(xiàn)陡峭的凹谷。其光柵周期是亞波長，但是各個狹縫的寬度大約只有波長的十分之一，并不存在衍射效應。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種復合結構金屬光柵偏振分束器，采用多個狹縫、大周期金屬光柵結構，使得入射的TE光不能進入狹縫，被反射。
[0010]本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn):
[0011]—種復合結構金屬光柵偏振分束器，每個光柵周期內(nèi)具有至少兩個及以上的多個狹縫，所述狹縫之間的間隔含有金屬材料，所述的多個狹縫及其間隔構成波導結構，所述的波導結構滿足入射橫電場電磁波在波導結