一种基于纳米压印的线栅圆偏振片

本发明涉及纳米压印、线栅偏振片，具体涉及一种基于纳米压印的线栅圆偏振片。

背景技术：

1、纳米线栅是在衬底材料上形成纳米尺度的周期性图案，纳米线栅作为光学元件在远红外和无线电波区域使辐射发生色散和探测偏振已有长远的历史。当纳米线栅的光栅周期远小于入射光波长时，线栅使得电矢量垂直于栅线的偏振光透过，电矢量平行于栅线的偏振光反射。纳米线栅作为一种重要的偏振器件被广泛的应用与光学产品中，如液晶显示、光通信等领域。常见的纳米线栅可以分为介质线栅和金属线栅两种。纳米线栅可以将入射光按不同偏振模式通过透射和反射分开，金属线栅的透射光消光比甚至可达40db以上，因此纳米线栅是一种性能优越的偏振片。

2、基于纳米压印技术的纳米线栅已经引起了广泛的关注，然而这些工作往往将线栅的制作工艺、透射性质等作为研究重点进行展开。伴随着全息术、偏振编码、偏振复用等研究的深入，圆偏振光、椭圆偏振光逐渐得到比线偏振光更广泛的应用和关注。目前，圆偏振光、椭圆偏振光的产生常常依赖于分立器件“起偏器—1/4玻片”的结构组合，有些工作从激光器本身的性质着手，严格要求光源本身具有特定的偏振态，以达到在光路中去除起偏器的目的。这些工作模式使得以圆偏振光、椭圆偏振光为基础的通信、传感器件在小型化、集成化的进展、低成本化上举步维艰。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，解决背景技术存在的问题，以实现入射光偏振由任意偏振态到圆偏振态的起偏。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；

4、所述反射层对入射光进行偏振分光，其反射光为te模，透射光为tm模；

5、所述的反射层为纳米线栅，所述反射层的纳米线栅的光栅周期∧1远小于该纳米线栅的工作波长时，纳米线栅会对入射光起到偏振分光的作用，其中tm模会透过线栅向旋光层传播，te模会在反射层发生反射，由此完成产生一束线偏光的目的；

6、所述的旋光层也为纳米光栅，所述旋光层的纳米线栅的光栅周期∧2远小于该纳米线栅的工作波长，旋光层的纳米线栅方向与反射层的线栅方向存在夹角θ，透射的tm模在此界面上可以根据旋光层的线栅方向分成两个正交矢量，其中，与旋光层的线栅方向平行的矢量会受线栅介质的影响而产生相移，与旋光层线栅方向正交的矢量则不受线栅影响。通过这种方式，就可以实现对tm模偏振态的改变。特别的，当θ＝±45°时，tm模将转变为圆偏振光。

7、进一步改进在于，所述旋光层的折射率为n3，厚度为d3，所述旋光层的折射率和厚度应满足如下数学关系：其中λ0为所述线栅圆偏振片的中心波长。

8、进一步改进在于，所述反射层的纳米线栅为金属线栅，所述旋光层的纳米线栅为非金属介质的线栅。

9、进一步改进在于，所述反射层和所述旋光层的纳米线栅均为非金属介质的线栅。

10、进一步改进在于，所述反射层为单层纳米线栅。

11、进一步改进在于，所述反射层为多层堆叠的纳米线栅，其中多层堆叠的周期数n在2到20之间。

12、进一步改进在于，所述反射层的折射率n与厚度d从上到下依次为(n11,d11)、(n12,d12)、(n13,d13)、……(n1n,d1n)，所述滤光层与偏振片的中心波长应满足的关系如下：

13、进一步改进在于，金属线栅的制备方法包括以下步骤：

14、(1)对金属薄膜进行压印处理，将压印模板的图案转移到金属薄膜上以形成金属线栅结构；

15、(2)将金属薄膜覆盖到衬底上，使得金属薄膜与衬底结合在一起，然后剥离压印模板，并对金属线栅进行刻蚀，将位于相邻线栅之间的金属薄膜除去，露出衬底，完成。

16、进一步改进在于，非金属介质的线栅的制备方法包括以下步骤：

17、(1)在衬底反面依次沉积非金属介质层、掩膜层，掩膜层为非晶碳薄膜，在掩膜层上旋涂压印胶层，随后将压印模板覆盖在压印胶层上；

18、(2)通过加压和紫外固化，将压印模板的光栅图案转印到压印胶层上，随后除去压印模板和压印胶层沟槽内的残胶，压印完成后，与压印胶层为掩膜，利用氧化灰化处理和湿法腐蚀法刻蚀掩膜层，除去未被压印胶层覆盖的掩膜层，保留被压印胶覆盖的掩膜层，然后去除压印胶层，光栅图案转移到掩膜层上；

19、(3)利用刻蚀后的掩膜层为掩膜，刻蚀非金属介质层，将未被掩膜层覆盖的非金属介质层除去，保留被掩膜层覆盖的非金属介质层，最后利用等离子体灰化处理法除去掩膜层，即获得非金属介质的线栅。

20、本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于纳米压印的圆偏振片。通过将两片纳米线栅集成在同一衬底上，实现“起偏器—1/4玻片”结构的小型化同时，本发明提供的圆偏振片对入射光的偏振态没有要求。

技术特征：

1.一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述旋光层的折射率为n3，厚度为d3，所述旋光层的折射率和厚度应满足如下数学关系：其中λ0为所述线栅圆偏振片的中心波长。

3.根据权利要求2所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层的纳米线栅为金属线栅，所述旋光层的纳米线栅为非金属介质的线栅。

4.根据权利要求2所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层和所述旋光层的纳米线栅均为非金属介质的线栅。

5.根据权利要求4所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层为单层纳米线栅。

6.根据权利要求4所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层为多层堆叠的纳米线栅，其中多层堆叠的周期数n在2到20之间。

7.根据权利要求6所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：所述反射层的折射率n与厚度d从上到下依次为(n11,d11)、(n12,d12)、(n13,d13)、……(n1n,d1n)，所述滤光层与偏振片的中心波长应满足的关系如下：

8.根据权利要求3-7任一项所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：金属线栅的制备方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，其特征在于：非金属介质的线栅的制备方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于纳米压印的线栅圆偏振片，涉及纳米压印、线栅偏振片技术领域，包括衬底和位于衬底上下两侧的反射层和旋光层，所述反射层和旋光层均为纳米线栅，且均由多组相互平行的线栅组成；所述反射层的纳米线栅的光栅周期∧<subgt;1</subgt;远小于该纳米线栅的工作波长；所述旋光层的纳米线栅的光栅周期∧<subgt;2</subgt;远小于该纳米线栅的工作波长；所述反射层对入射光进行偏振分光，其反射光为TE模，透射光为TM模；所述旋光层的纳米线栅方向与所述反射层的纳米线栅方向存在夹角θ。本发明通过将两片纳米线栅集成在同一衬底上，实现“起偏器—1/4玻片”结构的小型化同时，本发明提供的圆偏振片对入射光的偏振态没有要求。

技术研发人员：陈宇轩,钱大憨,刘文,陈方才,郑佳楠,凡流露,马浩喻
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15