专利名称：：一种亚波长埋入式光栅结构偏振片及其制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种适用于可见光波段的偏振片，具体涉及一种亚波长埋入式光栅结构偏振片，可应用于液晶显示、光通信等领域。
背景技术：
：偏振片是液晶显示、光学测量、光通信等系统中一种非常重要的光学组件，具有非常广阔的市场。这些系统中要求偏振片具有髙消光比、宽广的入射角度范围和非常紧凑的体积。传统的偏振片体积过大、制作过程复杂，而且仅仅在较小的波长范围内具有大的消光比，已经不能满足显示行业轻量型、超薄型、低成本的要求。因此，如何设计结构紧凑、易于加工、性价比高的偏振片，成为该领域研究发展的趋势。研究发现，金属光栅结构具有独特的偏振性能。金属光栅结构具有偏振性能的原因在于垂直于光栅矢量(TE偏振)和平行于光栅矢量(TM偏振)偏振光的边界条件不同，其等效折射率也不同。附图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。其中，ll为透明基底，12为金属光栅，金属光栅的周期为P，脊部宽度为W,髙度为H，13为光源。由光源13产生的非偏振光(包含TM偏振光和TE偏振光)以入射角0入射到该偏振片。TE偏振(又称s偏振)激发金属线的电子而产生电流，使得该方向的偏振光反射，而TM偏振(又称p偏振)由于该方向上有空气间隙将金属线隔离而无法引发电流，此时光波会透射过去。这样就实现了入射光中振动方向互相垂直的两个偏振态p、s的分离，表现出强烈的偏振特性。由于亚波长金属光栅体积小、易于集成、偏振特性好，很多科研人员对其相应的理论分析、结构设计、制作工艺等进行了深入研究。美国专利US7158302公开了一种双金属层偏振片，在500-700nm波长范围，TM光的透射效率大部分在70%以上，但是在400nm波长时，TM光的透射效率为63%，TM光的透射效率有待提髙；在该专利中，公开了在金属层的上表面覆盖一层保护层以避免金属被氧化的技术方案，保护层为Si02，SiN或者SiON,但是没有给出保护层的具体厚度，以及保护层对偏振片的透射和消光特性的影响。研究发现，用于可见光波段的金属光栅结构偏振器的周期很小，周期一般小于180nm。加工周期如此小的光栅，可以采用电子束曝光技术和离子刻蚀技术，存在的主要问题是制作效率低、面积小(数厘米)、成本过髙，目前还不能用于工业化应用。
发明内容本发明的目的是提供一种新型的亚波长埋入式光栅结构偏振片，在使得该偏振片适用于可见光波段，具有宽广的入射角度范围、髙透射效率和髙消光比的同时，延长其使用寿命，简化其制作工艺。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种亚波长埋入式光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，在所述第一金属层和第二金属层的顶部上表面覆盖有介质覆盖层，在所述透明基底和介质光栅之间设有髙折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。上文中，所述透明基底为玻璃或者塑料基材，塑料基材可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。所述金属层为金、银、铜、铝层。所述介质光栅可以采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等材料。介质覆盖层既可以对偏振片的透射效率起调制作用，又可以起到保护金属层的作用，防止金属层被氧化和在集成过程中被破坏。所述介质覆盖层选自CaF2涂层、塑料薄膜层或树脂涂层。所述介质覆盖层的厚度为10200nm。上述技术方案中，所述介质光栅的周期小于等于250nm;脊部宽度与周期的比值为0.30.6;所述第一金属层和第二金属层的厚度为50100nm;所述介质光栅的脊部厚度大于金属层的厚度。所述高折射率介质层的厚度为10200nm。所述透明基底厚度为12150um。本发明的亚波长埋入式光栅结构偏振片的制作方法，包括下列步骤-(1)在透明基底上沉积髙折射率介质层，所述髙折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间；(2)在高折射率介质层上涂布一层介质层；(3)用光栅模板在介质层表面形成周期介质光栅结构；(4)在周期介质光栅结构表面利用物理溅射方法沉积金属层；(5)在第一金属层和第二金属层的顶部涂布介质覆盖层，即获得所需的亚波长埋入式光栅结构偏振片。其中，所述步骤(3)中，光栅模板采取浸入式光刻进行加工，介质光栅结构可以采用纳米压印方法制作形成，从而实现大幅面偏振片的快速制造。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明在第一金属层和第二金属层的顶部涂布介质覆盖层，介质覆盖层既可以对偏振片的透射效率起调制作用，又可以起到保护金属层的作用，防止金属层被氧化和在集成过程中被破坏。2.本发明设置了髙折射率介质层，获得的偏振片，在整个可见光波段U00nm—700nm),具有髙透射效率、髙消光比；入射光的入射角度在0度~60度范围变化，具有宽广的入射角度范围。3.在工艺上，采用浸入式光刻与纳米压印技术相结合，可以实现大幅面偏振片的快速制造，其制作过程简便，不需要刻蚀工艺，降低了加工成本。4.与传统的偏振片不同，本发明通过调整介质覆盖层的折射率、厚度、髙折射率介质层的折射率、厚度、介质光栅的厚度、脊部宽度、周期、金属层的厚度等参数可以获得髙TM光透射效率和髙消光比，设计更灵活。图1为一维矩形金属光栅的结构图及产生偏振性能的原理图。图2为本发明实施例中设计的亚波长埋入式光栅结构偏振片的结构示意图。图3为本发明实施例一中亚波长埋入式光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。图4为本发明实施例二中亚波长埋入式光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。图5为本发明实施例三中亚波长埋入式光栅结构偏振片的介质覆盖层的厚度h4与TM光的透射效率之间的关系图。图6为本发明实施例三中亚波长埋入式光栅结构偏振片的介质覆盖层的厚度h4与消光比之间的关系图。图7为本发明实施例四中亚波长埋入式光栅结构偏振片的髙折射率介质层的厚度hl与TM光的透射效率之间的关系图。图8为本发明实施例四中亚波长埋入式光栅结构偏振片的高折射率介质层的厚度hl与消光比之间的关系图。图9为本发明实施例五中亚波长埋入式光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。图10为本发明实施例六中亚波长埋入式光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射角度的关系图。图11为本发明实施例七中亚波长埋入式光栅结构偏振片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。图12为本发明实施例七中亚波长埋入式光栅结构偏振片的消光比与入射波长的关系图。图13是采取浸入式光刻加工光栅模板的光路图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图2，为亚波长埋入式光栅结构偏振片的示意图。透明基底22由玻璃或者塑料薄膜构成，厚度为12-150um。塑料可以为聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。高折射率介质层23的折射率大于基底的折射率。髙折射率介质层23可以为Ti02、Ta205、ZnS等等。金属层24可以是金、银、铜、铝层。介质光栅25由塑料构成，塑料可以为聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)。覆盖层26可以是CaF2或者塑料或者树脂涂层。其中，介质光栅的周期p小于等于250nm;介质光栅的脊部宽度w与周期p的比值F为0.3—0.6;髙折射率介质层的折射率N:1.6—2.4;髙折射率介质层的厚度hl范围10-200nm;介质光栅的厚度h2大于金属层的厚度h3;金属层的厚度h3范围50-100nm;介质覆盖层的厚度h4范围10-200nm。由图中可见，在金属层的顶部设有介质覆盖层，在基底和介质光栅之间设有高折射率介质层。入射光21为可见光，波长为400nm—700nm，入射角为0度；基底22为玻璃，折射率为1.52;高折射率介质层23的折射率为1.7;金属层24为铝；介质光栅25为PMMA，折射率为1.48;介质覆盖层26为PMMA。偏振片的结构参数如下基底厚度为100um,高折射率介质层厚度hl为0.08um，介质光栅的髙度h2=0.1um，金属层的髙度h3=0.08um，介质覆盖层的髙度h4=0.1um，介质光栅的周期p-O.lum，脊部宽度w=0.05um。在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如附图3所示。在波长为400nm、470nm、550nm、610nm、700nm处TM光的透射效率、TE光的透射效率、消光比如表1所示。从表l可以看出，在整个可见光波段，本发明设计的偏振片具有良好的透射和偏振性能(TM光的透射效率大于79%，消光比大于9.1E4)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例二参见图2，改变实施例一中髙折射率介质层的折射率、介质覆盖层的折射率、金属层的高度。髙折射率介质层23的折射率为2.2,介质覆盖层26为CaF2，折射率为1.4，金属层的高度h3=0.07um。入射光21为可见光，波长为400nm—700nm，入射角为0度；基底22为聚酯薄膜(PET)，折射率为1.48;金属层24为铝；介质光栅25为PMMA，折射率为1.48。偏振片的其他结构参数如下基底厚度为1000um,髙折射率介质层厚度hl为0.05um，介质光栅的高度h2=0.1nm，介质覆盖层的厚度h4=0.1um，介质光栅的周期p=0.1um，脊部宽度w=0.05um。在此条件下，TM光的透射效率与波长的关系如图4所示。在整个可见光波段，TM光的透射效率范围73%~79%，TE光的透射效率范围l.lE-5~4.1E-5,消光比大于1.78E4。实施例三改变实施例一中介质覆盖层的厚度h4,其他参数不变。入射波长为400nm时，介质覆盖层的厚度h4对TM光的透射效率、消光比的影响如图5、图6所示。随着h4的增加，TM光的透射效率在87.0%~91.6%范围周期性变化，消光比在4.0E4-10.0E4范围周期性变化。可以看出，介质覆盖层可以对偏振片的透射效率起调制作用。考虑到介质覆盖层的厚度太厚，会增加偏振片的厚度，从而增加偏振片与其他光学器件集成的难度，一般选择TM光的透射效率第一次出现峰值时对应的介质覆盖层的厚度。实施例四改变实施例一中髙折射率介质层的厚度hl，其他参数不变。入射波长为460nm时，髙折射率介质层的厚度hl对TM光的透射效率、消光比的影响如图7、图8所示。随着hl的增加，TM光的透射效率在71.0%—78.5%范围周期性变化，消光比在1.18E51.4E5范围周期性变化。为了减小镀高折射率介质层的难度，增加镀髙折射率介质层的牢固度，通过优化髙折射率介质层的折射率和厚度这两个参数，可以得到易加工的具有髙透射效率、髙消光比的偏振片。实施例五改变实施例一中入射角为45度，其他参数不变。入射光21为可见光，波长为400nm—700nm。在此条件下，TM光的透射效率与入射波长的关系如图9所示。在400nm波长处，TM光的透射效率为85%,TE光的透射效率为6.4E-6,消光比为1.33E5。在整个可见光波段，45度斜入射时，偏振片具有髙透射效率、高消光比(透射效率大于85%，消光比大于1.33E5)。实施例六以入射光波长为400nm为例。改变实施例一中的入射角，其他参数不变，入射光的入射角度对TM光的透射效率的影响如图10所示。随着入射角度的增加，TM光的透射效率先基本保持不变，后降低。入射角在0度到60度范围，TM光的透射效率大于75%,消光比大于1.81E5，说明本发明设计的偏振片具有宽广的入射角度范围。实施例七改变实施例一中介质光栅的脊部宽度w与周期p的比值F为0.4，其他参数不变。介质光栅的周期p=0.1um，宽度w-0.04um。在此条件下，TM光的透射效率、消光比与波长的关系如图11、图12所示。在整个可见光波段，TM光的透射效率范围75%~91%,消光比大于1.0E5。在整个可见光波段，该偏振片具有良好的透射和消光性能。实施例八本发明采用浸入式光刻与纳米压印技术(参见已经申请的专利200810123710.8)相结合进行本发明设计的偏振片的加工。图13是采取浸入式光刻加工光栅模板的光路图。位相光栅134将光束分束成多级衍射光0，±1，±2。透镜系统133将分束光准直和聚焦(或者采用相互对称的反射镜将分束光束合束)，再经过棱镜132耦合照射在涂有光阻剂的玻璃基底131上，形成干涉光场，在棱镜与光刻胶干板之间浸入有匹配液体。设位相光栅134的周期为d，正入射光经过光栅衍射后，形成的衍射光的角度为Sin9=m人/d。式中m为衍射级次，X为使用波长。在图13中，当采用正、负级次衍射光对称干涉时，形成的干涉条纹的周期为D二入/(2nSine)=d/(2腿)其中，n为棱镜与光刻胶干板之间的浸入液体的折射率。这样，当m=l时，光点内的干涉条纹的周期是位相分束光栅周期的1/(2n)。如果取9=90度，^263nm(DPSSL三倍频紫外激光)时，干涉条纹的周期是124nm。光刻完成后，还需要进行电铸工艺，将光阻剂上的纳米级浮雕结构转移成金属镍版模板，再用来进行纳米压印。权利要求1.一种亚波长埋入式光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，其特征在于在所述第一金属层和第二金属层的顶部上表面覆盖有介质覆盖层，在所述透明基底和介质光栅之间设有高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。2.根据权利要求1所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片，其特征在于所述介质覆盖层选自CaF2涂层、塑料薄膜层或树脂涂层。3.根据权利要求2所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片，其特征在于所述介质覆盖层的厚度为10200nrn。4.根据权利要求1所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片，其特征在于所述介质光栅的周期小于等于250nm;脊部宽度与周期的比值为0.3~0.6;所述第一金属层和第二金属层的厚度为50100nm;所述介质光栅的脊部厚度大于金属层的厚度。5.根据权利要求1所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片，其特征在于所述高折射率介质层的厚度为10200nm。6.根据权利要求1所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片，其特征在于所述透明基底厚度为12150um。7.—种亚波长埋入式光栅结构偏振片的制作方法，其特征在于，包括下列步骤(1)在透明基底上沉积髙折射率介质层，所述髙折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间；(2)在高折射率介质层上涂布一层介质层；(3)用光栅模板在介质层表面形成周期介质光栅结构；(4)在周期介质光栅结构表面利用物理溅射方法沉积金属层；(5)在第一金属层和第二金属层的顶部涂布介质覆盖层，即获得所需的亚波长埋入式光栅结构偏振片。8.根据权利要求7所述的亚波长埋入式光栅结构偏振片的制作方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述光栅模板采用浸入式光刻方法加工获得。全文摘要本发明公开了一种亚波长埋入式光栅结构偏振片，包括透明基底、介质光栅、第一金属层、第二金属层，所述介质光栅具有周期性间隔设置的脊部和沟槽，所述第一金属层覆盖于介质光栅的脊部，所述第二金属层覆盖于介质光栅的沟槽中，介质光栅的周期小于入射光波长，其特征在于在所述第一金属层和第二金属层的顶部上表面覆盖有介质覆盖层，在所述透明基底和介质光栅之间设有高折射率介质层，所述高折射率介质层的折射率在1.6至2.4之间。介质覆盖层既可以对偏振片的透射效率起调制作用，又可以起到保护金属层的作用，防止金属层被氧化和在集成过程中被破坏；在整个可见光波段，该偏振片具有高透射效率、高消光比、宽广的入射角度范围。文档编号G03F7/20GK101377555SQ20081015677公开日2009年3月4日申请日期2008年9月26日优先权日2008年9月26日发明者燕叶,云周,周小红,浦东林,溯申,解正东,陈林森,魏国军申请人:苏州大学;苏州苏大维格数码光学有限公司