专利名称:基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器的制作方法
所属技术领域：
本发明涉及偏振分束器件，具体是一种基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器。
背景技术：
波状结构薄膜是一种二维周期性的电介质结构，类似于二维光子晶体，不同的是它具有层状结构特征，而普通的二维光子晶体是由相互分离的散射体依据二维栅格周期排布而成，不具备层状特征。偏振分束器的作用是将入射的非偏振电磁波分解成两束具有不同偏振态的电磁波。电磁波在二维周期性介质结构内传播时可以分解成电场的振动方向平行于和垂直于二维周期平面的两个偏振态。
中国专利号200410101822.5，受权公告号CN1641382A，受权公告日2005年7月20日，名称为“二维光子晶体偏振分束器”，该专利公开了一种透射式的二维光子晶体偏振器。它基于二维光子晶体的各向异性性质，即光子晶体整体上对不同的偏振态具有不同的平均折射率，要求入射波长远大于光子晶体晶格常数，比如波长与晶格常数之比为10∶1至30∶1。缺点是只适用于微波或者是波长更长的波段，对于短波如红外和可见光，势必要求晶格常数达到纳米量级，制作难度很大，成本太高。
中国专利号200510060208.3，受权公告号CN1737616A，受权公告日2006年2月22日，名称为“基于光子晶体正负折射的偏振分束器与分束方法”，该专利公开了一种基于光子晶体正负折射的透射式的偏振分束器，可适用于红外和光波波段。缺点是二维周期性圆柱阵列的微结构加工工艺复杂，涉及到光刻、蚀刻等工序，需要大批昂贵的制造设备。
文献[Y.Y.Li，Acta Phys.Sin.55，4918，2006]论证了波状结构薄膜能够对电磁波产生负折射作用，即入射光线和折射光线位于界面法线的同一侧。
发明内容本发明的目的是提供一种基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，工作波长根据结构设计可以选择在微波、红外和可见光波段，采用传统的薄膜制备工艺，降低器件的制作成本。
本发明的技术方案是在一维光栅基板上交替镀制高低两种折射率的介质材料，受光栅表面形貌的调制作用薄膜呈现波状起伏的二维周期结构。两种薄膜材料的折射率之比应大于1.6，基板光栅必须是不含双折射效应的透射型光栅。所述的二维周期性是指沿薄膜生长方向的高低两种介质材料的重复周期和垂直于该方向的膜层的波状起伏周期，其中膜层的波状起伏周期与基板光栅的周期相同。为达到薄膜的完美复形，根据薄膜生长理论，薄膜的波状轮廓只能是三角形和正弦形两种。
基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束方法是以镀制在光栅基板上的波状结构多层薄膜作为电磁波的偏振分束元件，入射的电磁波包含两个偏振态，从波状结构薄膜一侧入射后其中一个偏振态遵循正常折射，入射光线与折射光线分别位于法线两侧，波状结构薄膜近似于一块具有正折射率的均匀介质材料；另一种偏振态呈现反常折射即负折射，入射光线与折射光线位于法线同侧，波状结构薄膜近似于一块具有负折射率的均匀介质材料，从而在波状结构薄膜内部将两种偏振态的电磁波分离开来，实现透射式的偏振分束。理想的偏振分离效果要求波状结构薄膜的总厚度不能太薄，因而高低折射率膜层的重复周期数至少应在30以上。
本发明的有益效果本发明具有二维周期结构的尺度缩放性质，即工作波长与器件结构的周期成一固定比例，将结构周期放大或缩小一个因子，相应的工作波长也随之放大或缩小相同的因子，而又保证偏振分束器件的性能指标不变。本发明可以使两个偏振态在器件的结构内部发生分离并同时透射，且透过率大，偏振度高。本发明所涉及的器件制作方法比现有的二维光子晶体偏振分束器件要简单很多，只需在基板光栅上镀制多层膜，工艺成熟，可重复性高，适合于工业化批量生产图1是波状结构薄膜透射式偏振分束器的结构原理示意图1、法线，2、入射电磁波，3、高折射率膜层，4、低折射率膜层，5、折射电磁波，6、基板光栅，7、折射电磁波。
图2是对应于偏振态I的波状结构薄膜的等频面结构示意图。
图3是对应于偏振态II的波状结构薄膜的等频面结构示意图。
具体实施方式如图1所示，在二维平面上，偏振分束器由波状结构多层薄膜和基板光栅6构成，外围介质为空气(折射率为1)。多层膜中高折射率材料(折射率为3.5)的膜层3厚度为0.32a(以下均使用晶格常数a作为长度单位)，低折射率材料(折射率为1.5)的膜层4厚度为0.68a，光栅周期为a，波状薄膜总厚度应在30a以上，膜层的波状轮廓保持为三角形。非偏振的入射电磁波2由波状结构薄膜一侧倾斜进入，频率为ω＝0.3(2πc/α)。入射电磁波2包含两个偏振态，其中，偏振态I遵循正常折射，入射电磁波2与折射电磁波7分别位于法线1两侧；偏振态II在波状结构薄膜内部呈现负折射效应，入射电磁波2与折射电磁波5位于法线1同侧。
本发明所涉及的波状结构薄膜偏振分束器，其工作频率范围内的等频面结构如图2和3所示，工作频率为ω＝0.3～0.34(2πc/α)，偏振态I工作在正常折射，波状结构薄膜的等效折射率为正；偏振态II工作在负折射，波状结构薄膜的等效折射率为负。入射电磁波2的入射角范围为15°～60°，偏振分离角为25°～75°。
权利要求
1.基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，是由高低两种介质材料交替镀制在基板光栅(6)上的二维周期性结构，介质材料的折射率之比应大于1.6，基板光栅(6)必须是透射型光栅，光栅材料除双折射晶体之外其余均可。
2.根据权力1所述的基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，所述的二维周期性是指沿薄膜生长方向的高低两种介质材料的重复周期和垂直于该方向的膜层的波状起伏周期。
3.根据权力1所述的基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，膜层的波状起伏周期与基板光栅(6)的周期相同。
4.根据权力1所述的基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，沿薄膜生长方向的高低两种介质材料的膜层重复周期数至少应在30以上。
5.根据权力1所述的基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，膜层的波状轮廓只能是三角形和正弦形两种。
6.基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，以镀制在基板光栅(6)上的波状结构多层薄膜作为电磁波的偏振分束元件，入射电磁波(2)包含两个偏振态，从波状结构薄膜一侧入射后其中一个偏振态遵循正常折射，入射电磁波(2)与折射电磁波(7)分别位于法线(1)两侧，波状结构薄膜近似于一块具有正折射率的均匀介质材料；另一种偏振态呈现反常折射即负折射，入射电磁波(2)与折射电磁波(5)位于法线(1)同侧，波状结构薄膜近似于一块具有负折射率的均匀介质材料，从而在波状结构薄膜内部将两种偏振态的电磁波分离开来，实现透射式的偏振分束。
7.根据权力6所述的基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器，其特征在于，电磁波的入射角范围为15°～60°，两种偏振态的折射分离角为25°～75°。
专利摘要
一种基于波状结构薄膜正负折射的偏振分束器。薄膜由交替镀制在基板光栅上的高低两种介质材料构成，受光栅表面轮廓的调制作用呈现波状起伏的二维周期结构。从外界入射的电磁波包含两个偏振态，从薄膜一侧入射后其中一个偏振态遵循正常折射，入射光线与折射光线分别位于法线两侧，波状结构薄膜近似于一块具有正折射率的均匀介质材料；另一种偏振态呈现反常折射即负折射，入射光线与折射光线位于法线同侧，波状结构薄膜近似于一块具有负折射率的均匀介质材料，从而在波状结构薄膜内部将两种偏振态的电磁波分离开来，实现透射式的偏振分束。本发明利用波状结构的多层介质薄膜实现了偏振分光，具有体积小、工艺简单、偏振度高等优点，同时具备二维周期结构的尺度缩放性质，可用于微波、红外以及可见光波段。
文档编号G02B27/28GK1996096SQ200610053946
公开日2007年7月11日 申请日期2006年10月25日
发明者厉以宇, 顾培夫, 章岳光 申请人:浙江大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan