专利名称：亚波长金属光栅偏振器的制作方法
技术领域：
本发明属于光学偏振器件，具体涉及一种线栅偏振器，可用于光学 测量、光通信、激光等领域。
背景技术：
偏振器件一般可分为反射及折射偏振器、二向色性偏振器、双折射 晶体偏振器等传统器件和线栅偏振器。传统的偏振器件体积过大，不能
利用MEMS工艺制作及集成，例如，使用双折射晶体偏振器件时光线必须斜 入射，因此要求光学系统结构是三维的，同时也提高了光学系统集成化的 难度。光栅的周期小于入射光的波长称为亚波长光栅，亚波长金属光栅偏 振器属线栅偏振器中的一种，器件体积小、结构紧凑、易于集成，且能利 用MEMS工艺制作，具有巨大的应用前景。
1998年Ebbesen等人报道当一束光垂直通过有着周期性排列小孔 的金属膜时,在某些特定波长上有非常大的透过率增强，而根据经典的孔 径理论，一束波长为A的光通过直径为d (d〈乂)的小孔时，透过率应该 在(d/A)4左右，亦即对于波长为900nm左右的光通过直径为150nm小 孔的透过率应约为O. 001 ,但实验结果约为4%(远场探测值)；见Ebbesen T W, Lezec HJ ， Ghaeml H F , Thio T and Wolff P A 1998W加w"e 391 667。 紧接着，Schr5ter等人用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅数值解， 从理论上证明了一维金属光栅同样具有这种增强效应，尽管一维金属光 栅与Ebbesen等人的二维小孔列阵结构不同，光在光栅狭缝与小孔中存在的模式也不完全相同，但由于一维光栅表现出与Ebbesen等人的实验 结果相同的透射光学特性；见Schr5ter U and Heitmann D 1998 /%7《.
58 15419 。由于这种增强效应在光场局域、微腔量子电动力学、 高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力。很多研究者制 作了各种各样的亚波长金属光栅偏振器。我国张娜等人设计的亚波长金 属光栅偏振器比较有代表性，见张娜、褚金奎、赵开春等，"基于严格 耦合波理论的亚波长金属光栅偏振器设计"[J].传感技术学报， 2006, 19(5) : 1739 1743。
但是，现有这些亚波长金属光栅偏振器的透过率和消光比不够高， 原因是没有考虑光的入射界面和出射界面的反射损耗。
与他们相比，本发明基于光的干涉原理，根据不同用途，在两个界 面专门设计了相应的光学薄膜，使得透过率和消光比得到较大提高。
发明内容
本发明提出一种亚波长金属光栅偏振器，在入射光和出射光两个界 面增加了相应的光学薄膜，使透过率和偏振消光比得到较大提高，克服 现有同类器件透过率和消光比不高的问题。
本发明的一种亚波长金属光栅偏振器，在基底上具有金属条纹光栅，
金属条纹光栅表面具有保护层，其特征在于
所述基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一 界面具有多层介质减反膜层，所述多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、 带通滤光膜层中的一种。所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于-
所述基底为各自波段对应的光学材料；
所述金属条纹光栅的参数光栅周期;？<义/",入是入射光波长，" 是基底折射率;光栅占空比为0.4 0.6，光栅沟槽深度与宽度比为5 : l 1 : 3;
所述金属条纹光栅的材料视不同波段需要，为金、银、钼、铝或铜 中的一种；
所述保护层的厚度小于40nm，材料种类视具体波段而定。
所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于 所述多层介质减反膜层为对应于各自波段的减反膜层； 所述多层介质膜层为对应于各自波段的减反膜层、增反膜层、带通 滤光膜层中的一种。
本发明在入射光和出射光两个界面增加了相应的光学薄膜，使透过 率和偏振消光比得到较大提高，克服现有同类器件透过率和消光比不高 的问题；能够单独作为光学起偏器或检偏器使用；也能够作为激光器输 出耦合镜，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐。
图l为本发明的结构示意图2为本发明应用于激光谐振腔的示意图；输出耦合镜6实际是一 个亚波长金属光栅起偏器，7是激光介质，8是全反射镜。 图3为本发明的制作过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由多层介质减反膜层l、基底2、多层介质膜层 3、金属条纹光栅4、保护层5构成。图中，光栅周期; ，金属条纹宽度w。 实施例1
作为C(V激光亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1和多层介 质膜层3相同，均由ZnSe膜层和YF3膜层构成，光学厚度各为2. 86Mm和 5.94Mm;多层介质减反膜层l中，YF3膜层靠基底，ZnSe膜层在外层；多 层介质膜层3中，YF3膜层靠基底，ZnSe膜层靠金属条纹光栅4;基底2 是抛光的ZnSe晶体，基底两个抛光面未镀多层介质减反膜时，10.64Mm 波长处透过率70%，两面镀有多层介质减反膜层后，透过率在98%以上， 金属条纹光栅4材料为金，周期2陶，占空比0.5，深度与宽度比为5 : 1， 这样光栅沟槽深度5Mm，保护层5为YF3，厚度50mn.
实施例2:
作为YAG激光(532nm)亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1 和多层介质膜层3均由Zr02膜层和Si02膜层构成，基底2是双面抛光的 BK7玻璃；基底2两个抛光面没有镀多层介质减反膜时，532nm波长处透 过率90%，两面镀有多层介质减反膜层后，透过率大于99%,金属条纹 光栅4材料为铝，周期200nm，占空比0.5，深度与宽度比为5 : 1，这样 光栅沟槽深度500nm，保护层5为A1203，厚度30nm.
实施例3:
作为宽带亚波长金属光栅起偏器，多层介质减反膜层1和多层介质膜 层3是宽带多层减反膜，均由Zr02膜层和MgF2膜层构成，基底2是BK7 玻璃材料；基底两个抛光面没有镀多层介质减反膜时，波长400nm 1200咖范围透过率90%,两面镀有多层介质减反膜层后，透过率大于97 %;金属条纹光栅4材料为铝，周期100mn，占空比0.5，深度与宽度比为2 : 1，这样光栅沟槽深度100 nm，保护层5为MgF2，厚度10nm。 实施例4:
如图2所示，本发明应用于激光谐振腔，激光谐振腔由光路上依次 设置的输出耦合镜6、激光介质7和(C02)激光全反射镜8构成；亚波 长金属光栅作为C02激光输出耦合镜6，其多层介质膜层1为10. 6Mm减反 膜层，基底2材料是抛光的硒化锌ZnSe晶体，多层介质膜层3为增反膜， 金属条纹光栅4的条纹为金，周期4Mm，占空比0.4，深度与宽度比为1 :3，这样光栅沟槽深度0. 8Wn;保护层5是YF3，厚度约0. 05Mm，亚波 长光栅输出耦合镜1的透过率40%,
使用亚波长金属光栅作为二氧化碳激光输出耦合镜后，激光器输出 为线偏振光，并且波长能够调谐。
实施例5:
如图2所示，本发明应用于激光谐振腔，激光谐振腔由光路上依次 设置的输出耦合镜6、激光介质7和(YAG)激光全反射镜8构成；亚波 长金属光栅作为YAG激光(l. 064to)器输出耦合镜6，该输出耦合镜实际 是一个亚波长金属光栅，多层介质膜层1为1.064Mm减反膜层，基底材 料2是抛光的BK7玻璃，多层介质膜层3为增反膜，金属条纹光栅4的条 纹为金，周期0.6Mm，深度与宽度比为l : 1，占空比0.6;光栅沟槽深度 0.24Hm，保护层5是YF3，亚波长光栅输出耦合镜1的透过率30%;
使用亚波长金属光栅作为YAG激光输出耦合镜后，激光器输出为线 偏振光，并且波长能够调谐。
如图3所示，本发明的制备方法为
(1) 对已经光学抛光的基底进行清洗；
(2) 在基底光学抛光的两面分别沉积多层介质减反膜层1，多层介质膜层3;
(3) 在多层介质膜层3上均匀涂敷一层光刻胶，光刻胶的类型和厚
度视亚波长金属光栅偏振器透射光的波段而定；
(4) 用紫外光刻工艺，在光刻胶表面形成光栅图形后，暴露出相应 部分的多层介质膜层3;
(5) 用磁控溅射法在暴露出相应部分的多层介质膜层3上沉积金属
薄膜，金属薄膜厚度视亚波长金属光栅偏振器的波段而定；
(6) 用磁控溅射法在金属薄膜上沉积保护层5，保护层材料种类、 厚度，视具体波段而定；
(7) 用光刻胶对应的去膜剂，去除表面剩余的光刻胶，纯水冲洗， 氮气吹干，成为亚波长金属光栅偏振器。
在整个工艺中，紫外光刻工艺是关键，采用聚合物的纳米自成型方 法，见Leonard F. Pease 11I等，"Self-formation of sub-60-nm half-pitch gratings with large areas through Fracturing, " Nature Nanotechnology, Vol, 2， S印.2007， pp-545-548;该方法不需要预先制作 掩模板，对线宽的控制比较方便，目前已制备出线宽小于60mn的线栅结 构。
权利要求
1. 一种亚波长金属光栅偏振器，在基底上具有金属条纹光栅，金属条纹光栅表面具有保护层，其特征在于所述基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一界面具有多层介质减反膜层，所述多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。
2. 如权利要求1所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于 所述基底为各自波段对应的光学材料；所述金属条纹光栅的参数光栅周期;？<^/^ A是入射光波长，" 是基底折射率;光栅占空比为0.4 0.6，光栅沟槽深度与宽度比为5 : l 1 : 3;所述金属条纹光栅的材料视不同波段需要，为金、银、钼、铝或铜中的一种；所述保护层的厚度小于40nm，材料种类视具体波段而定。
3. 如权利要求1或2所述的一种亚波长金属光栅偏振器，其特征在于所述多层介质减反膜层为对应于各自波段的减反膜层； 所述多层介质膜层为对应于各自波段的减反膜层、增反膜层、带通 滤光膜层中的一种。
全文摘要
亚波长金属光栅偏振器，属于光学偏振器件，具体涉及一种线栅偏振器，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题。本发明在基底上具有金属条纹光栅，金属条纹光栅表面具有保护层，基底与金属条纹光栅连接的界面具有多层介质膜层，基底另一界面具有多层介质减反膜层，多层介质膜层为减反膜层、增反膜层、带通滤光膜层中的一种。本发明在入射光和出射光两个界面增加了相应的光学薄膜，使透过率和偏振消光比得到较大提高，克服现有同类器件透过率和消光比不高的问题；能够单独作为光学起偏器或检偏器使用；也能够作为激光器输出耦合镜，激光器输出为线偏振光，并且波长能够调谐；可用于光学测量、光通信、激光等领域。
文档编号G02B5/30GK101435890SQ200810236730
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者刘世元, 史铁林, 廖广兰, 李晓平, 汤自荣, 陈志凌, 光 黄 申请人:华中科技大学