复合结构双层金属光栅偏振分束器的制造方法
【技术领域】
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[0001]本专利涉及偏振光分束器件技术领域，特别是一种基于复合结构金属光栅、利用表面等离子体波导截止效应产生的角度可调、横电场反射、横磁场衍射或透射的宽光谱偏振光分束光栅。属于光学领域中的偏振分束器件。
【背景技术】
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[0002]偏振光被广泛的应用于现代光学技术及其应用中，比如平板显示和三维立体显不、光通讯、光存储、和光传感等。偏振光分束器是将入射光分成偏振方向相互垂直的两束光的光学器件，是现代光学系统中的重要元器件。进一步的，具有宽入射角度范围和宽工作光谱的大角度、宽带偏振光分束器更具有实际的应用价值。
[0003]传统的偏振光分束器通常是基于双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质，它们的缺点在于:对光的入射角度敏感，而且受到实际晶体和介质的折射率的限制，工作波段窄。另外，体积大、成本高、加工工艺复杂等缺点也使传统偏振光分束器件不能满足当前光学器件的小型化、集成化和高效化等要求。随着微纳加工技术的发展，具有优良偏振特性的亚波长光栅受到人们广泛关注和研究，它具有体积小、易集成、和设计灵活的特点。
[0004]受到实际介质折射率的限制，介质光栅通常工作在红外光波段。它的偏振效应是由光栅对TM(电场垂直于光栅方向)和TE(电场平行于光栅方向)偏振光的等效折射率不同而引起的；在干涉效应的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波长有关的特定的方向上。受此工作原理的限制，介质光栅只能做成窄带和特定入射角度的偏振分束器件。
[0005]十九世纪末H.R.Hertz (H.Hertz , Ann.Phys.Chem.36,769 (1889))就发现只有偏振方向和线栅方向垂直的微波才能通过线栅结构，之后人们开始研究线栅对偏振电磁波的透射的影响。受当时工艺条件、计算方法和条件的限制，在光波领域中的研究进展缓慢。直到二十世纪末，人们才制备出周期小于可见光波长的单层金属光栅，研究发现金属光栅有更高的光学效率和更高的出射光偏振比。之后研究发现制作工艺更加简单的双层金属光栅虽然对TM光的透射效率有所降低，但是偏振抑制比有了明显提高。
[0006]但是，不论介质光栅还是金属光栅，人们研究的大多数是其透射性质，从而应用到透身才式偏振片。1988年，T.W.Ebbesen(〃Extraordinary optical transmiss1n throughsub-wavelength hole arrays 利用亚波长孔阵列增强光透射〃，T.W.Ebbesen，H.J.Lezec,
H.F.Ghaemi,T.Th1,and P.A.Wolff ,Nature 391,667(1998))利用金属板中的二维空气孔阵列，突破衍射极限，增强了光的透射效率。2002年H.J.Lezec等人("Beaming Light froma subwavelength Aperture亚波长狭缝分光〃，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))利用金属狭缝实现了垂直入射的特定波长的光的有角度透射。2005年LG的S.W.Ahn等人("Fabricat1n of a 50nm half-pitch wire grid polarizer using nanoimprintlithography半周期50nm的线栅偏振片的纳米压印制备〃 ,Nanotechnoloty 16，1874(2005))用纳米压印的方法制备出10nm周期的金属光栅，获得波长450nm的TM偏振光的透射效率85 %，消光比达到2000。2012年L.Wang等人(“High performance Al b1-layerwire-grid polarizer for deep-ultrav1let to infrared !modeling and design从紫外到红外光的双层线栅高性能偏振器:模型和设计”，Li Wang,Harun H.Solak,and YasinEkinci，Proc.0f SPIE，8424，842429(2012))模拟研究了双层光栅的TM和TE偏振光的透射效率，并由对比证明双层金属TM透射率虽然小于单层金属，但偏振抑制比超过单层1-2个量级。但是这些文章只研究了光的透射效率，另一方面他们设定的的光栅周期以及狭缝宽度远远小于入射光波长，一般只有几十到一百多纳米，此时对可见光的衍射效应也已经消失；从制备工艺上考虑，周期越小制备越困难。而且他们没有研究光入射角度对透射效率的影响，一般只是垂直入射。
[0007]反射式偏振片比透射式偏振片在光电集成等方面更具优势，但是反射式光栅偏振片的相关报道比较少，而且局限于某个波长或很窄的波段，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))研究了单一波长632.8nm的光，以特定角度入射到单层金属光栅的偏振分光情况，在干涉效应的作用下，实现TM偏振光被反射，TE偏振光被背向衍射。2001年美国专利US6243199B1 “Broad band wire grid polarizing beam splitter for usein the visible wavelength reg1n可见光波段的宽带线栅偏振光分束器”提出利用周期小于210nm的金属光栅实现TM透射/TE反射的偏振光分束器，消光比达到100。2002年美国专利US2002/0191286Al〃Polarisers and mass-product1n method and apparatus forpolar isers偏振片及其大规模制备方法〃提出一种倾斜蒸镀金属的金属光栅制备方法，以提高TM透射效率，抑制TE透射效率。
[0008]总之，之前对光栅偏振特性的研究大多是利用光波的干涉效应，这就不可避免窄工作带宽和特定入射角度。要得到宽带和大角度入射范围的偏振分束器，需要利用金属光栅。任意波长的TM偏振光都可以以表面等离子体导波模式进入到金属光栅中的狭缝;小于某个截止波长的TE偏振光可以以正常的导波模式进入金属光栅，大于截止波长的TE光无法进入光栅。所以TM偏振光可以感受到光栅结构，从而在合适的光栅周期下被衍射。大于截止波长的TE偏振光感受不到光栅结构，相当于入射到一块金属平面上，从而几乎被完全反射。具体原理见已经发表的文章:Scientif ic Reports 4，6491 (2014)和IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics 19,4800205(2013)。它完全区别于传统的晶体、多层膜、或者介质光栅。以此为基础可以制备表面等离子体偏振分束器，不仅在性能上有宽谱、广角的特点，而且制备工艺简单，适于大规模生产，易于集成。其中，周期较大的光栅，制备工艺较简单，成本较低，并且更易于量产。但是在光栅周期大，狭缝宽的情况下，TE偏振光也会以常规波导模式进入狭缝，从而产生衍射、透射，降低反射、透射、和其它衍射方向上的偏振抑制比。因此我们提出在大的狭缝里添加介质-金属柱(条)，以将原本宽的狭缝分割成窄的狭缝，阻止TE光的进入。200 5年D.C.Ski gin和R.A.Depine ("Transmiss1nresonances of metallic compound grating with subwavelength亚波长金属复合光極的透射共振〃，Phys.Rev.Lett.95,217402(2005))曾提出将常规单层金属光栅中的狭缝改成几个(1-5个)间隔均匀的狭缝，发现由于狭缝间的透射共振效应，透射峰变宽，并在其中出现陡峭的凹谷。其光栅周期是亚波长，但是各个狭缝的宽度大约只有波长的十分之一，并不存在衍射效应。
【发明内容】
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[0009]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种复合结构金属光栅偏振分束器，采用多个狭缝、大周期金属光栅结构，使得入射的TE光不能进入狭缝，被反射。
[0010]本发明通过以下技术方案实现:
[0011]—种复合结构金属光栅偏振分束器，每个光栅周期内具有至少两个及以上的多个狭缝，所述狭缝之间的间隔含有金属材料，所述的多个狭缝及其间隔构成波导结构，所述的波导结构满足入射横电场电磁波在波导结