[发明专利]复合结构双层金属光栅偏振分束器

说明书

一种复合结构金属光栅偏振分束器，每个光栅周期内具有两个及以上被金属材料隔开的介质狭缝，多个介质狭缝组成的波导结构满足入射电场平行于光栅线条的电磁波在狭缝波导内的波导模式截止，光栅的周期满足在一定入射角度下入射横磁场电磁波的衍射存在。本发明通过使用适当数量的介质狭缝，并且使多个狭缝组成的波导宽度小于工作波长TE偏振波的模式截止宽度，使TE偏振波无法在狭缝内传播，从而导致TE偏振的入射波只存在反射波，而没有其它衍射波；同时，通过控制光栅周期使得所述偏振分束光栅对TM偏振光存在0级和±1级及以上反射衍射或透射衍射；实现较大金属光栅周期下的宽波段、大角度范围、反射/衍射/透射偏振分束。

技术领域:

本专利涉及偏振光分束器件技术领域，特别是一种基于复合结构金属光栅、利用表面等离子体波导截止效应产生的角度可调、横电场反射、横磁场衍射或透射的宽光谱偏振光分束光栅。属于光学领域中的偏振分束器件。

背景技术:

偏振光被广泛的应用于现代光学技术及其应用中，比如平板显示和三维立体显示、光通讯、光存储、和光传感等。偏振光分束器是将入射光分成偏振方向相互垂直的两束光的光学器件,是现代光学系统中的重要元器件。进一步的，具有宽入射角度范围和宽工作光谱的大角度、宽带偏振光分束器更具有实际的应用价值。

传统的偏振光分束器通常是基于双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质，它们的缺点在于：对光的入射角度敏感，而且受到实际晶体和介质的折射率的限制，工作波段窄。另外，体积大、成本高、加工工艺复杂等缺点也使传统偏振光分束器件不能满足当前光学器件的小型化、集成化和高效化等要求。随着微纳加工技术的发展，具有优良偏振特性的亚波长光栅受到人们广泛关注和研究，它具有体积小、易集成、和设计灵活的特点。

受到实际介质折射率的限制，介质光栅通常工作在红外光波段。它的偏振效应是由光栅对TM(电场垂直于光栅方向)和TE(电场平行于光栅方向)偏振光的等效折射率不同而引起的；在干涉效应的作用下，TM和TE光被反向衍射或前向衍射到和光波长有关的特定的方向上。受此工作原理的限制，介质光栅只能做成窄带和特定入射角度的偏振分束器件。

十九世纪末H.R.Hertz(H.Hertz,Ann.Phys.Chem.36,769(1889))就发现只有偏振方向和线栅方向垂直的微波才能通过线栅结构，之后人们开始研究线栅对偏振电磁波的透射的影响。受当时工艺条件、计算方法和条件的限制，在光波领域中的研究进展缓慢。直到二十世纪末，人们才制备出周期小于可见光波长的单层金属光栅，研究发现金属光栅有更高的光学效率和更高的出射光偏振比。之后研究发现制作工艺更加简单的双层金属光栅虽然对TM光的透射效率有所降低，但是偏振抑制比有了明显提高。