一种带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的制作方法

本发明设计一种红外偏振器，特别涉及一种带有介质和金属线栅结构的红外偏振器。

背景技术：

亚波长金属线栅是由于结构的不对称性而产生的对偏振光的敏感性，通过对基底材料、金属材料、线栅槽内的填充材料以及占空比等参数的调控来达到对亚波长金属线栅光学调控的目的。亚波长金属线栅偏振器具有体积小、可集成化、设计灵活、对偏振光敏感等特点，在集成光学、微纳器件等方面具有很大的应用潜力，在偏振成像、光电检测、光学传感、导航等领域具有很大的应用前景。因此设计和制备宽光谱、高tm波透射率和高消光比的线栅偏振器一直是人们的追求目标。

2005年，美国nanoopto公司设计并制备了在1.52μm-1.57μm波段的周期为200nm的金属线栅偏振器，该结构中在线栅的底部、中部和线栅的上部分别蒸镀多层抗反射膜，tm透过率高达97％，消光比超过40db，但是该偏振器引入了多层抗反射膜，且具有较高的深宽比(约7：1)，增加了制备的难度，不易大规模制备，见j.j.wang,w.zhang,andz.deng,etal.high-performancenanowiregridpolarizers.2005,opticsletters.30(2):195-196。2008年，美国戴顿大学设计了在si基底和al线栅之间加一层50nm厚的sio2抗反射层的线栅偏振器，其工作波长为1.5-5μm，tm透过率高达70％，消光比大于40db。但本文没有解释sio2作为抗反射膜层的物理机理，见z.wu,p.e.powers,a.m.saranganetal.opticalcharacterizationofwiregridmicropolarizersdesignedforinfraredimagingpolarimetry[j].2008,opticsletters,33(15):1653-1655。苏州大学采用严格耦合波理论设计了一种基于一维亚波长金属线栅结构的具有偏振和彩色滤光片功能的偏振型彩色滤光片，该结构是在低折射率聚甲基丙烯酸甲酯基底与金属al光栅之间加一层高折射率介质线栅层，透过率大于72.6％，消光比大于40db，见叶燕,周云,张恒.金属光栅型偏振彩色滤光片.2011,光学学报，31(4),0405003,1-7。

以上研究结果大部分都是采用均匀的介质膜层作为抗反射膜，采用介质线栅作为抗反射层的研究较少，且大部分用于可见光波段，本发明主要是将介质线栅层插入基底与金属线栅之间，获得更高的tm透射率和消光比，来满足红外波段对偏振器的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带有介质和金属线栅结构的红外偏振器。

本发明带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的结构为：从基底3自下而上依次是低折射率亚波长介质线栅层2、亚波长金属线栅层1；

所述的低折射率亚波长介质线栅层2的折射率在1.3-2.4之间，厚度h1为30-200nm，低折射率亚波长介质线栅层2的材料采用mgf2、sio2、或tio2。周期p是200-500nm，占空比w/p是0.4-0.6。

所述的亚波长金属线栅层1周期和占空比与低折射率亚波长介质线栅层2相同，厚度h2是100-200nm，金属材料选用al、cu、ag或au。

本发明优点在于：通过基底和亚波长金属线栅之间插入一层具有同样占空比的低折射率亚波长介质线栅层，可有效地提高线栅偏振器在中波红外波段的tm偏振光的透射率和消光比。亚波长金属线栅偏振器具有体积小、可集成化、设计灵活、对偏振光敏感等特点，在集成光学、微纳器件等方面具有很大的应用前景。

附图说明

图1为本发明的带有介质和金属线栅结构的红外偏振器结构示意图。图中1为亚波长金属线栅层，2为低折射率亚波长介质线栅层，3为透明基底。

图2为本发明实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的tm、te透射率与入射光波长关系图。

图3为本发明实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图。

图4为本发明实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的tm、te透射率与入射光波长关系图。

图5为本发明实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图。

图6为本发明实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的tm、te透射率与入射光波长关系图。

图7为本发明实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图。

具体实施方式

对带有介质和金属线栅结构的红外偏振器结构的设计和光学性能的分析，采用有限局域差分法fdtdsolutions软件模拟计算来完成。如图1所示，图1为本发明的带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的结构示意图。选用具有高的消光系数的金属铝作为线栅的金属材料。从基底3自下而上依次是低折射率亚波长介质线栅层2、亚波长金属线栅层1。图中亚波长金属线栅和低折射率亚波长介质线栅层的周期相同，都为p，线栅宽度为w，占空比f定义为w/p，低折射率亚波长介质线栅层2的厚度为h1，亚波长金属线栅层的厚度为h2。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

实施例1：

参见图1所示的带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底选择蓝宝石(al2o3)，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是mgf2，厚度h1为100nm，金属线栅的材料为au，周期p为400nm。厚度h2为150nm，占空比为0.5。

在该结构条件下，tm、te透射率与入射光波长关系如图2所示，消光比与入射光的波长关系如图3所示，在4μm处，tm透射率95％，消光比29db。

实施例2：

参见图1所示的带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底选择si，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是sio2，厚度h1为200nm，金属线栅的材料为al，周期p为500nm。厚度h2为100nm，占空比为0.6。

在该结构条件下，tm、te透射率与入射光波长关系如图4所示，消光比与入射光的波长关系如图5所示，在4μm处，tm透射率85％，消光比30db。

实施例3：

参见图1所示的带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的结构示意图，基底选择ge，入射光为3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射线栅层2是tio2，厚度h1为30nm，金属线栅的材料为ag，周期p为300nm。厚度h2为200nm，占空比为0.4。

在该结构条件下，tm、te透射率与入射光波长关系如图6所示，消光比与入射光的波长关系如图7所示，在4μm处，tm透射率68％，消光比29db。

上述实施例仅示例说明本发明的原理和功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种带有介质和金属线栅结构的红外偏振器，本发明的偏振器，从下至上分别由透明基底，低折射率亚波长介质线栅层和亚波长金属线栅层构成。基底为中波红外波段透明材料，折射率在1.6到4.0之间，低折射率亚波长介质线栅层折射率在1.3‑2.4之间，金属线栅周期和介质线栅周期相同，在200‑500nm之间。通过基底和亚波长金属线栅之间插入一层具有同样占空比的低折射率亚波长介质线栅层，可有效地提高线栅偏振器在中波红外波段的TM偏振光的透射率和消光比。亚波长金属线栅偏振器具有体积小、可集成化、设计灵活、对偏振光敏感等特点，在集成光学、微纳器件等方面具有很大的应用前景。

技术研发人员：孔园园;罗海翰;刘定权
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2017.07.12
技术公布日：2017.09.01