一种偏振器的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及一种偏振器。

背景技术：

偏振成像技术能够提供比传统强度探测和光谱探测更多的目标信息，在目标识别和探测方面发挥着越来越重要的作用。然而追求光学系统的小型化、轻量化，使得亚波长偏振器成为偏振成像技术的关键器件。对于偏振成像技术，突出目标物体在背景光中的轮廓特征，需要亚波长偏振器具有非常灵敏的测量能力和高信噪比，因此实现高消光比的宽波段亚波长偏振器在目标识别和探测方面具有重要的应用价值，尤其对军事伪装领域产生深远影响。

基于金属光栅的亚波长偏振器获得高消光比，需减小光栅周期和增大深宽比，然而对于深亚波长周期光栅，大面积导致光栅产量低，并且现有深刻蚀工艺失效，亚波长偏振器的发展遇到了瓶颈。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种获得高消光比、宽波段亚波长的偏振器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种偏振器，包括激发层、双曲色散材料层、平坦化层、出射层及基底层，宽波段的光波经所述激发层激发产生高空间波矢衍射光，所述高空间波矢衍射光进入所述双曲色散材料层，所述双曲色散材料层对入射的高空间波矢衍射光中宽波段tm偏振光以高空间波矢衍射光模式耦合传输并对其它偏振态模式光波抑制传输，经所述双曲色散材料层耦合传输的高空间波矢衍射光经所述平坦化层进入所述出射层，所述出射层对入射的光场进行空间波矢调制，并经所述基底层耦合输出单一波矢tm偏振平面光波。

在一些较佳的实施例中，所述光波为tm偏振光或者无偏振态的光波，所述光波的波段覆盖极紫外光、深紫外光、紫外光、可见光以及红外光。

在一些较佳的实施例中，所述激发层的材料包括但不限于cr、al、au、si、tio2中的任意一种或者多种。

在一些较佳的实施例中，所述激发层包括纳米图形，所述纳米图形为一维或二维图形，所述纳米图形的结构包括周期性光栅或者其他形状。

在一些较佳的实施例中，所述双曲色散材料层包括由金属/介质交替设置的多层膜结构。

在一些较佳的实施例中，所述金属为工作波段下介电常数实部为负的膜层材料，所述介质为工作波段下介电常数实部为正的膜层材料。

在一些较佳的实施例中，所述介电常数实部为负的膜层材料包括但不限于al、ag或au中任意一种，所述介电常数实部为正的膜层材料包括但不限于sio2、si、tio2、mgf2或al2o3中任意一种。

在一些较佳的实施例中，所述平坦层的材料为介质材料，所述平坦层的厚度为1nm～50nm，所述介质材料包括但不限于pmma。

在一些较佳的实施例中，所述出射层包括纳米图形，所述纳米图形为一维或二维图形，所述纳米图形的结构包括周期性光栅或者其他形状。

在一些较佳的实施例中，所述基底层为工作波段下高透射的基底材料层。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的偏振器包括激发层、双曲色散材料层、平坦化层、出射层及基底层，宽波段的光波经所述激发层激发产生高空间波矢衍射光，所述高空间波矢衍射光进入所述双曲色散材料层，所述双曲色散材料层对入射的高空间波矢衍射光中宽波段tm偏振光以高空间波矢衍射光模式耦合传输并对其它偏振态模式光波抑制传输，经所述双曲色散材料层耦合传输的高空间波矢衍射光经所述平坦化层进入所述出射层，所述出射层对入射的光场进行空间波矢调制，并经所述基底层耦合输出单一波矢tm偏振平面光波，本发明提供的偏振器，利用双曲色散材料实现了tm偏振光的耦合放大传输，以及te偏振光的指数衰减传输，解决了高深宽比对亚波长金属光栅偏振器的限制，能够获得高消光比、宽波段亚波长偏振器。

此外，本发明提供的偏振器，所述双曲色散材料层包括由金属/介质交替设置的多层膜结构，可通过改变金属/介质交替多层膜的膜层厚度进行偏振器性能调节，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的偏振器的结构示意图。

图2中(a)和(b)为本实施例提供的基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层色散关系曲线(te偏振态)。

图2中(c)和(d)为本实施例提供的基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层色散关系曲线(tm偏振态)。

图2中(e)为本实施例提供的ag/sio2交替多层膜结构的光学传递函数otf(te偏振态)。

图2中(f)为本实施例提供的ag/sio2交替多层膜结构的光学传递函数otf(tm偏振态)。

图3中(a)为本实施例提供的comsolmultiphysics数值计算得出入射tm和te光波下，器件透射效率随波长变化情况。

图3中(b)为本实施例提供的偏振器消光比随波长变化情况。

图3中(c)为本实施例提供的波长532nm和波长632.8nm情况下的偏振器电场强度和相位截面分布。

图4为本实施例提供的改变ag/sio2交替多层膜的结构参数来实现调节偏振器消光比。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的偏振器的结构示意图，包括激发层2、双曲色散材料层3、平坦化层6、出射层7及基底层8。

本发明提供的偏振器的实现方式如下：

宽波段的光波1经所述激发层2激发产生高空间波矢衍射光，所述高空间波矢衍射光进入所述双曲色散材料层3，所述双曲色散材料层3对入射的高空间波矢衍射光中宽波段tm偏振光以高空间波矢衍射光模式耦合传输并对其它偏振态模式光波抑制传输，经所述双曲色散材料层3耦合传输的高空间波矢衍射光经所述平坦化层6进入所述出射层7，所述出射层7对入射的光场进行空间波矢调制，并经所述基底层8耦合输出单一波矢tm偏振平面光波9。

在一些较佳的实施例中，所述宽波段光波1为tm偏振光或者无偏振态的光波，所述光波的波段覆盖极紫外光、深紫外光、紫外光、可见光以及红外光。

在一些较佳的实施例中，所述激发层2为高效激发特定传输波长范围高空间波矢衍射波的材料，包括但不限于cr、al、au、si、tio2中的任意一种或者多种。

在一些较佳的实施例中，激发层2包括纳米图形，纳米结构图形可以是一维或者二维图形，图形结构可以是周期性的光栅或者其他形状，具体形状依据入射光偏振态进行优化设计。

可以理解，激发层2厚度为可以高效激发高空间波矢衍射波的厚度，具体厚度依据图形结构、使用波长、材料进行优化设计。

在一些较佳的实施例中，所述双曲色散材料层3包括由金属/介质交替设置的多层膜结构。

在一些较佳的实施例中，所述双曲色散材料层3的金属/介质交替多层膜中，金属为工作波段下介电常数实部为负的膜层材料，包括但不限于al、ag、au；介质为工作波段下介电常数实部为正的膜层材料，包括但不限于sio2、si、tio2、mgf2、al2o3。

可以理解，双曲色散材料层3的金属/介质交替多层膜的每层膜厚度在纳米量级，各金属层的膜厚与各介质层的膜厚可以相等，也可以不相等，膜层厚度可使tm偏振态的高空间波矢衍射光场从某一金属层有效耦合到与之相邻的另一金属层中，通过调整金属和介质的膜厚之比可对双曲色散材料的切向和法向介电系数进行调节。

可以理解，由于双曲色散材料层支持宽波段的tm偏振光以高空间波矢衍射光模式耦合传输，其它任何偏振态模式光波振幅指数衰减，被抑制传输。因此在金属/介质膜层材料层最外层分布的光场，tm偏振光效率高于te偏振光效率。

在一些较佳的实施例中，所述平坦层6的材料为介质材料，所述平坦层6的厚度为1nm～50nm，所述介质材料包括但不限于pmma，经双曲色散材料层耦合出光场经所述平坦层6能有效的耦合传输至出射层7。

在一些较佳的实施例中，所述出射层7包括纳米图形，所述纳米图形为一维或二维图形，所述纳米图形的结构包括周期性光栅或者其他形状。

可以理解，出射层7厚度为可以高效调制输出双曲色散材料层之后光场的厚度，具体厚度依据图形结构、使用波长、材料进行优化设计。

本发明提供的偏振器，利用双曲色散材料实现了tm偏振光的耦合放大传输，以及te偏振光的指数衰减传输，解决了高深宽比对亚波长金属光栅偏振器的限制，能够获得高消光比、宽波段亚波长偏振器。

以下结合具体实施例详细说明上述技术方案。

实施例

请再参阅图1，利用基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层，结合激发层与出射层均为一维光栅图形，在可见光波段范围400nm～800nm之间，实现了亚波长偏振器消光比大于50db，特别是在波段范围500nm～800nm之间，消光比超过了80db。

在本实施例中，1为入射光，tm偏振光或者无偏振光，波长范围400nm～800nm；2为激发层al光栅，光栅槽深40nm，周期170nm，占空比0.5；3为基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层，ag层数10层，sio2层数10层；4为双曲色散材料中的介质薄膜sio2层，厚度15nm；5为双曲色散材料中的金属薄膜ag层，厚度15nm；6为平坦化层，材料pmma，厚度15nm；7为出射层al光栅，光栅槽深40nm，周期170nm，占空比0.5；8为可以透射可见光波段的石英基底层；9为出射光波，偏振态为tm偏振光。

图2为基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层色散关系曲线以及光学传递函数，计算方法采用rcwa方法。

如图2中(a)、(b)、(c)和(d)为基于ag/sio2交替多层膜结构的双曲色散材料层色散关系曲线，对于te偏振态，纵向波矢kz实部接近零，而kz虚部与横向波矢kx正相关，因此te波在ag/sio2交替多层膜结构中高损耗传输；对于tm偏振态，纵向波矢kz实部和横向波矢kx呈现了双曲关系，并且纵向波矢kz虚部在2.1k0≤kx≤5k0之间为零，表明tm偏振光在ag/sio2交替多层膜结构中能够以高空间波矢光波传播。

如图2中(e)和(f)为ag/sio2交替多层膜结构的光学传递函数otf，显然tm偏振光能够在波长400nm～800nm范围内以空间波矢2.1k0～5k0的模式光波传播，而te偏振任何波矢模式光在双曲色散材料层中指数衰减。

图3中(a)和(b)是comsolmultiphysics数值计算得出入射tm和te光波的透射效率和器件消光比随波长变化情况。

从图3中(b)中实线看到，双曲色散材料的偏振器在可见光谱400nm～800nm范围内，消光比大于2×10⁴(43db)，特别是在波长550nm～800nm范围内，消光比达到3.2×10⁸(85db)以上，在波长730nm处，消光比达到峰值5×10⁹(97db)。相比于传统亚波长al光栅偏振器(图3(b)中虚线)，设计结果在长波段处，相当于深宽比2.2的al光栅，在短波段处，相当于深宽比1.8的al光栅，从图3(b)中可以看出本发明解决了高深宽比对亚波长金属光栅偏振器的限制，能够获得高消光比、宽波段亚波长偏振器。

图3中(c)是波长532nm和632.8nm情况下的偏振器电场强度和相位截面分布。

图4为改变ag/sio2交替多层膜的结构参数来调节偏振器消光比，实现偏振性能的可调。

当然本发明的偏振器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。