[发明专利]一种椭圆光偏振器

说明书

技术领域

本发明属于光学器件，特别涉及一种椭圆光偏振器。

背景技术

椭圆光偏振器是光学领域的一种偏振元器件，它在偏振分光、彩色显示、激光技术等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，通常做法是利用线偏振片和四分之一波片两个分离元器件构成椭圆光偏振器，其工作原理是：光束通过线偏振片后成为线偏振光，然后垂直入射到四分之一波片表面，得到振动方向正交的o光和e光两个分量。两个分量因传播速度不同而产生相位差，进而得到输出为椭圆偏振的光。这种结构的缺点非常明显：1.工作波长范围较窄，该结构不能得到宽波长范围的椭圆偏振光；2.该结构使用的是两个分离光学元件，因此器件尺寸大，不易集成。

利用螺旋状金属线栅制备光学偏振器件是在2009年9月由德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员首先发现的，见Justyna K.Gansel，等.“Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。他们所提出的螺旋结构为圆形，因此只能产生圆偏振光，而不能产生椭圆偏振光；另外他们所使用的材料为金，金在可见光、近红外范围内的光学特性受到限制，因此他们提出的偏振器件工作波长在3～6微米的红外波段，根本不能适用于可见光、近红外波段。

申请人于2010年3月提出过申请号201010120798.5，名称为《一种螺旋状金属线栅圆偏振器》的发明专利申请，该金属线栅圆偏振器在石英玻璃基板上沉积有均匀分布的螺旋状的铝金属线栅，螺旋状的投影为圆形，能够工作在可见光光谱范围，产生圆偏振光。

发明内容

本发明提出一种椭圆光偏振器，目的在于使其在可见光～近红外波段产生椭圆偏振光，且器件尺寸小、结构紧凑、易于集成。

本发明的一种椭圆光偏振器，在石英玻璃基板上沉积有N个均匀分布的螺旋状的金属线栅，金属线栅的材料为铝，其特征在于：

所述金属线栅的螺旋状为投影是椭圆形的螺旋状；金属线栅直径30～60纳米，螺旋状的螺旋周期数大于或等于2周，螺旋周期间距150～400纳米，椭圆形长轴60～100纳米，椭圆形短轴30～50纳米，金属线栅间距在椭圆形长轴方向为170～220纳米，在椭圆形短轴方向为310～410纳米，N≥10⁶。

本发明的椭圆光偏振器的制备方法，包括下述步骤：

(1).在基板表面沉积导电膜；

(2).在导电膜上旋涂光刻胶；

(3).通过深紫外相干刻蚀，在光刻胶中形成几十纳米量级N个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙；

(4).通过电化学沉积，在N个均匀分布的椭圆形螺旋状空气隙中沉积金属铝材料，形成投影是椭圆形的螺旋状金属线栅；

(5).除去椭圆形螺旋状金属线栅之间的光刻胶。

在制备过程中，步骤(3)和步骤(4)是比较重要的两个步骤。形成几十纳米线宽的结构对于一般光刻来讲有一定难度，2007年美国一研究小组成功的运用深紫外相干刻蚀的方法得到了大范围线宽小于40纳米的金属线栅结构，见J.J.Wang，F.Walters，X.M.Liu，P.Sciortino，and X.G.Deng，“High-performance，large area，deep ultraviolet to infrared polarizers based on 40nm line/78nm space nanowire grids，”Appl.Phys.Lett.90，61104(2007)；这为步骤(3)的实施提供了依据。另外，运用电化学沉积的方法在螺旋结构中沉积金属材料也是完全可行的，见Justyna K.Gansel，等.“Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband，”Science 325，1513(2009)。

从原理上来说，圆偏振光只是椭圆偏振光的一个特殊情况。圆偏振光的产生实际上是两个相互正交的线偏振光，在保证其振幅相等，相位相差90度的情况下获得的合成光。而对于椭圆偏振光而言，任意两个相互正交的线偏振光的合成都可以产生某一特定的椭圆偏振光。因此，在原理上，本发明大大拓展了现有技术的内容，涵盖了现有技术，而且从圆偏振光是椭圆偏振光的特例这一角度出发，椭圆光偏振器的提出是一个质的飞跃和创新，不是显而易见的产物。