一种圆偏振器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种圆偏振器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]圆偏振器是光学领域的一种重要的偏振元器件，它在偏振分光、彩色显示和激光技术等领域得到了令人瞩目的应用。
[0003]目前在光学领域常采用线偏振片和四分之一波片两个分离元器件构成圆偏振器，其工作原理是:光束通过线偏振片后成为线偏振光，然后再以一定偏振角度通过四分之一波片，最终得到圆偏振光。由于四分之一波片的工作波长范围较窄，因此该结构不能得到宽波长范围的圆偏振光；另外，该结构使用的是两个分离光学元件，因此器件尺寸大，不易集成。近年来许多研究人员又提出了利用螺旋状金属线栅获得圆偏振光的理念，在2009年德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首次提出了单螺旋线栅结构的圆偏振器，见Justyna K.Gansel,等.“Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial asBroadband，” Science 325，1513 (2009)，该圆偏振器的单螺旋线栅由金制成，信噪比仅达到10dB左右，而且由于螺旋状金属线栅的尺寸过大，所使用的材料金在可见光、近红外光范围内的光学特性受到限制，导致工作波长的范围限制在在3-6nm内，根本不能使用于可见光和近红外波段。2011年华中科技大学的研究人员提出了利用多螺旋金属线结构实现光学圆偏振器的设计，虽然该结构可以在可见光至近红外光波段获得较高的信噪比特性，但其结构非常复杂，导致其制备工艺很难实现。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是解决现有的圆偏振器结构复杂，制备工艺难以实现及信噪比较低的问题。
[0006]( 二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种圆偏振器，其特征在于:包括基板和螺旋线栅，所述螺旋线栅的数量为多组，多组所述螺旋线栅均垂直的设于所述基板上且成阵列分布，每组所述螺旋线栅包括4根旋向相同且成阵列分布的单螺旋线栅，每组所述螺旋线栅中对角线上的两根单螺旋线栅的初始旋转角相同，且其中一个对角线上的两根单螺旋线栅的初始旋转角为0度，另一个对角线上的两根单螺旋线栅的初始旋转角为80度至100度。
[0008]其中，每根所述单螺旋线栅的螺旋周期等于2周。
[0009]其中，每根所述单螺旋线栅的一个螺旋周期的长度为200nm。
[0010]其中，每根所述单螺旋线栅的直径为30nm至40nm，螺旋直径为100nm。
[0011]其中，所述螺旋线栅的数量不少于106组。
[0012]其中，任意相邻的两根单螺旋线栅之间的间距为200nm。
[0013]其中，所述单螺旋线栅由金属铝制成。
[0014]其中，所述基板由石英玻璃制成。
[0015]其中，所述基板上设有导电膜，所述螺旋线栅与所述基板通过导电膜连接。
[0016]本发明还提供了一种圆偏振器的制造方法，其特征在于:包括步骤:
[0017]S1，在基板表面沉积导电膜；
[0018]S2，在导电膜上旋涂光刻胶；
[0019]S3，通过深紫外相干刻蚀，在光刻胶中形成多个成阵列分布的空气隙组，每个空气隙组包括4个成阵列分布的几十纳米级的螺旋状的空气隙，每个空气隙组中的一个对角线上的两个空气隙的初始旋转角为0度，另一个对角线上的两个空气隙的初始旋转角为80度至100度；
[0020]S4，通过电化学沉积在空气隙中沉积铝材料，每个空气隙内形成一根单螺旋线栅；
[0021]S5，除去多根单螺旋线栅之间的光刻胶。
[0022](三)有益效果
[0023]本发明的上述技术方案具有如下优点:本发明提供的圆偏振器包括基板和设于基板上的多组成阵列分布的螺旋线栅，每组螺旋线栅包括4根旋向相同且成阵列分布的单螺旋线栅，每组螺旋线栅中的对角线上的单螺旋线栅的初始旋转角相同，其中一个对角线上的两根单螺旋线栅的初始旋转角为0度，另一个对角线上的两根单螺旋线栅的初始旋转角为80度至100度，通过调整和优化螺旋状金属线的参数，本发明的工作波长的范围可达
0.6-0.86 μ m，信噪比可达32.7dB，本发明提供的圆偏振器能够工作在波长较短的可见光和近红外光谱范围内，且本发明采用的是单螺旋线栅结构，多根单螺旋线栅的旋向相同，具有结构简单，易于制备和集成的优点，适用于偏振分光、彩色显示和激光技术等领域。
【附图说明】
[0024]图1是本发明提供的圆偏振器的结构示意图；
[0025]图2是图1的俯视图；
[0026]图3是本发明的主视图；
[0027]图4是实施例1的透过率特性曲线；
[0028]图5是实施例1的信噪比曲线；
[0029]图6是实施例2的透过率特性曲线；
[0030]图7是实施例2的信噪比曲线；
[0031]图8是实施例3的透过率特性曲线；
[0032]图9是实施例3的信噪比曲线；
[0033]图10是实施例4的透过率特性曲线；
[0034]图11是实施例4的信噪比曲线；
[0035]图12是实施例5的透过率特性曲线；
[0036]图13是实施例5的信噪比曲线；
[0037]图14是本发明提供的圆偏振光分束器完成制备步骤S1后的结构示意图；
[0038]图15是本发明提供的圆偏振光分束器完成制备步骤S2后的结构示意图；
[0039]图16是本发明提供的圆偏振光分束器完成制备步骤S3后的结构示意图；
[0040]图17是本发明提供的圆偏振光分束器完成制备步骤S4后的结构示意图；
[0041]图18是本发明提供的圆偏振光分束器完成制备步骤S5后的结构示意图。
[0042]图中:10:基板；20:单螺旋线栅；30:导电膜；40:光刻胶；50:空气隙。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0045]在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]实施例1
[0047]如图1-3所示，本发明提供的圆偏振器，包括基板10和螺旋线栅，基板10由石英玻璃制成，螺旋线栅由金属铝制成，螺旋线栅的数量为N组，其中，N多106，N组螺旋线栅均垂直的设于基板10上且成阵列分布，每组螺旋线栅包括4根旋向相同且成阵列分布的单螺旋线栅20，每组螺旋线栅中的对角线上的两根单螺旋线栅20的初始旋转角相同，其中一个对角线上的两根单螺旋线栅20的初始旋转角为0度，另一个对角线上的初始旋转角为80度至100度，一根单螺旋线栅20的直径为30-40nm，螺旋直径为lOOnm，每根单螺旋线栅20包括两个螺旋周期，每个螺旋周期的长度为200nm，任意相邻的两根单螺旋线栅20之间的间距为200nm。如图2所示，每组螺旋线栅中的一根单螺旋线栅20的初始旋转角XA为0度，与之相邻的一根单螺旋线栅20的初始旋转角