专利名称：一种金属线栅宽带偏振器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学系统中的光学器件，特别涉及一种金属线栅偏 振器。
背景技术：
偏振器一般可以被分为分色偏振器，各向异性晶体偏振器，布氏 角偏振器以及线栅偏振器。但是上述每一种偏振器都只能够对应一个较 小的和相对固定的工作波长范围。对于很多光学和光电子学应用领域来 说，人们都希望得到一种宽带的偏振器，它的工作波长范围能够覆盖整 个紫外—可见一红外光波段。
纳米金属线栅偏振器就是这样一种能够达到这一要求的器件。到目 前为止，在无线电波、微波和远红外领域亚波长金属线栅偏振器己经得 到了广泛的应用。而且随着纳米加工技术的不断发展，制备出线条更小 的这种偏振器，并将其应用到近红外、可见、甚至紫外光波段也已经成
为可能。2005年，美国普林斯顿一研究所和中国武汉邮电科学研究院分
别利用紫外光纳米压印方法和电子束刻蚀方法在玻璃基板上制备成功
200纳米线宽的金属线栅偏振器，该偏振器的工作波长在1520 — 1570纳 米的通信波段。2006年，瑞士微纳技术研究所和美国普林斯顿一研究所 运用深紫外相干刻蚀技术成功的在玻璃基板上制备出线宽在100纳米的 金属线栅偏振器，其工作波段范围达到了 300—900纳米。这些最新的研 究成果都证明了利用金属线栅偏振器可以实现器件在近红外、可见、及 紫外波段工作，但是科研人员始终没有解决用一个偏振器可以同时工作 在红外、可见、及紫外波段这一难题。2007年中国武汉华中科技大学一研究小组提出了一种在氟化钙基片上镀金属铝纳米线栅结构的偏振器，
其工作波长能够达到300—5000纳米，参见文献Z. Y. Yang and Y. F. Lu, "Broadband nanowire-grid polarizers in ultraviolet-visible-near-infrared regions," Opt. Express, vol. 15, no. 15, Jul. 2007， pp. 9510-9519,但是这一 偏振器的结构非常复杂，它需要在基板的上下两个表面都制备出金属纳 米线栅，这大大增加了制作的工艺难度。
发明内容
本实用新型提出一种金属线栅宽带偏振器，目的在于使其具有高的 偏振光消光比和光通量，同时结构简单，工作波长范围宽。
本实用新型的一种金属线栅宽带偏振器，在基板上沉积出平行条状 金属铝纳米线栅，其特征在于所述基板为在紫外到红外波段均透明的 光学材料；所述金属铝纳米线栅的结构参数为线栅周期长度40 — 80纳 米，线栅占空比60%—40%，线栅厚度40 — 80纳米，层间距10—20纳 米。
所述的金属线栅宽带偏振器，所述基板的光学材料为氟化钙、氟化 镁或氧化铝。
本实用新型金属线栅宽带偏振器的制备方法，包括下述步骤 (1).对基板进行清洗；
(2 ).用化学气相沉积的方法在基板表面沉积一层保护膜；
(3) .在保护膜上旋涂一层光刻胶；
(4) .在光刻胶表面形成纳米线栅结构，暴露出相应部分的保护膜;
(5) .用反应离子刻蚀设备在保护膜上刻出纳米线栅结构，暴露出 相应部分的基板；(6) .用反应离子刻蚀设备在基板上刻出纳米线栅结构，刻蚀深度 为50—100纳米；
(7) .用反应离子刻蚀设备除去基板上剩余的保护膜；
(8) .用磁控溅射设备在基板垂直表面镀上铝金属膜，铝金属膜厚 度为40—80纳米，形成平行条状金属铝纳米线栅。
在光刻胶表面形成纳米线栅结构时，采用聚合物薄膜的纳米自成型 方法。在本实用新型整个工艺过程中，关键是如何在光刻胶表面得到大 面积纳米线栅结构。聚合物薄膜的纳米自成型方法是2007年9、月由美国 普林斯顿大学一研究小组首先提出的，参见文献Leonard F. Pease III等， "Self-formation of sub-60-nm half-pitch gratings with large areas through fracturing," Nature Nanotechnology, Vol. 2， Sep. 2007, pp-545-548.。采用聚 合物薄膜的纳米自成型方法，过程简单，不需要预先制备掩模板，对线 宽的控制比较方便，成形面积大，而且成本低。利用这种方法，目前已 经制备出了线宽小于60纳米的线栅结构。
本实用新型的宽带偏振器，结构简单，通过调整和优化金属铝纳米 线栅的参数(如线栅周期长度、高度等)，在300—5000 nm波段范围 的偏振消光比可达到33—70 dB，偏振光透过率可达到68%—94%，优 于现有的偏振器；能够实现在300—5000纳米宽带波长范围内的工作， 工作波长范围可以覆盖紫外一可见一红外光波段。适用于光纤通信网络、 自由空间光网络、磁光数据存储系统、基于偏振原理的图像处理系统。
图1为本实用新型的宽带偏振器结构示意图； 图2 (a)、 (b)、 (c)分别为本实用新型的第一种实施例以氟化钙、 氟化镁、氧化铝为基板的光学特性曲线；
图3 (a)、 (b)、 (c)分别为本实用新型的第二种实施例以氟化钙、氟化镁、氧化铝为基板的光学特性曲线；
图4 (a)、 (b)、 (c)分别为本实用新型的第三种实施例以氟化钙、 氟化镁、氧化铝为基板的光学特性曲线；
图5为本实用新型的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
对金属铝纳米线栅偏振器结构的设计和光学性能的分析，采用时域 有限差分(FDTD)算法来完成。图1所示为本实用新型的宽带偏振器结 构示意图。图中的基板选择在紫外到红外波段透明的光学材料，如氟化 钙、氟化镁、氧化铝。在金属纳米线栅材料的选择上采用了具有高消光 比、高光通量的铝材料。
图中标记为金属铝纳米线栅l，偏振器基板2，线栅周期长度p， 刻蚀宽度w，占空比力二Wp,线栅的厚度"层间距c/。
图2 (a)、 (b)、 (c)所示分别为以氟化钙、氟化镁、氧化铝为基板 的金属铝纳米线栅偏振器的光学特性曲线，具体的结构参数为^=40纳 米，Z=60%， F40纳米，"=10纳米。图中，黑实框连成的曲线表示 器件的消光比，白方框连成的曲线表示器件的透过率，从图中可以看出 这三种偏振器都能够工作在300—5000纳米这一宽带的光谱范围。在它 们之中以氟化镁为基片的偏振器有更好的光学特性。这主要是因为氟化 镁的折射率较低，从而可以降低光的反射损耗。
图3 (a)、 (b)、 (c)所示分别为以氟化钙、氟化镁、氧化铝为基板 的金属铝纳米线栅偏振器的光学特性曲线，具体的结构参数为p=60纳 米，/1=50%， F60纳米，d二15纳米。图中，黑实框连成的曲线表示 器件的消光比，白方框连成的曲线表示器件的透过率，从图中可以看出 这三种偏振器都能够工作在300—5000纳米这一宽带的光谱范围。
图4 (a)、 (b)、 (c)所示分别为以氟化钙、氟化镁、氧化铝为基板的金属铝纳米线栅偏振器的光学特性曲线，具体的结构参数为p二80纳 米，乂=40%， F80纳米，d二20纳米。图中，黑实框连成的曲线表示 器件的消光比，白方框连成的曲线表示器件的透过率，从图中可以看出 fe三种偏振器都能够工作在300—5000纳米这一宽带的光谱范围。
图5所示为本实用新型的制备方法工艺流程图。图中虚线层表示基 板，斜线层表示保护膜，白色层表示光刻胶和铝金属膜，(l)对基板进 行清洗；(2)用化学气相沉积(CVD)的方法在基板表面沉积一层保护 膜；(3)在保护膜上旋涂一层光刻胶；(4)用聚合物自成型方法，在光 刻胶表面形成纳米线栅结构；(5)用反应离子刻蚀设备在保护膜上刻出 纳米线栅结构，暴露出相应部分的基板；(6)用反应离子刻蚀设备在基 板上刻出纳米线栅结构，刻蚀深度为50—100纳米；(7)用反应离子刻 蚀设备除去基板上剩余的保护膜；(8)用磁控溅射设备在基板垂直表面 镀上铝金属膜，铝金属膜厚度为40—80纳米，形成平行条状金属铝纳米纹微。
权利要求1.一种金属线栅宽带偏振器，在基板上沉积出平行条状金属铝纳米线栅，其特征在于所述基板为在紫外到红外波段均透明的光学材料；所述金属铝纳米线栅的结构参数为线栅周期长度40-80纳米，线栅占空比60％-40％，线栅厚度40-80纳米，层间距10-20纳米。
2. 如权利要求1所述的金属线栅宽带偏振器，所述基板的光学材料 为氟化钙、氟化镁或氧化铝。
专利摘要一种金属线栅偏振器，属于光学器件，目的在于具有高偏振光消光比和光通量，结构简单，工作波长范围宽。本实用新型的偏振器，在基板上沉积金属铝纳米线栅，基板为在紫外到红外波段均透明的光学材料；金属铝纳米线栅结构参数为线栅周期长度40-80纳米，线栅占空比60％-40％，线栅厚度40-80纳米，层间距10-20纳米。本实用新型宽带偏振器在300-5000nm波段范围的偏振消光比可达到33-70dB，偏振光透过率可达到68％-94％。
文档编号G02B5/30GK201387494SQ20072008854
公开日2010年1月20日 申请日期2007年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者戴能利, 李玉华, 光 杨, 杨振宇, 陆培祥, 华 龙 申请人:华中科技大学