[发明专利]具非均向性薄膜的低色差相位延迟器及其制作方法

说明书

【技术领域】

本发明关于一种光的相位延迟器(phase retarder)，或称为波板(wave plate)，特别是利用非均向性(anisotropic)薄膜的低色差相位延迟器或波板。

【背景技术】

波板，亦被称之为相位延迟器，一般使用双折射(birefringent)的非均向性(anisotropic)光学材料做成，光线在此非均向性材料的波板行进，其电场分量对应材料中两个本征偏极态(eigen-polarization states)分量，会使光线感受到该材料不同的折射率，称为主轴折射率N₁与N₂，进而使光线分为两道不同折射角与波速的光线，若为垂直入射的光线，其折射角对两道光而言皆为零度，然而两本征电场分量的震荡波速不同，以至于线性偏振光线在跨越波板后，会对两电场分量产生相位差。对1/2或1/4波延迟的波板，两垂直分量会出现π或π/2的相位差。对于四分之一(quarter)波板而言，它可以使线偏振态光束变成圆偏振态光束。

上述的相位差可表示为2π(N₁-N₂)d/λ，d为波板厚度，λ为入射光波长，由相位差可以看出其为波长的函数，若希望能在一波长范围内产生一与波长无关的相位差，那么(N₁-N₂)必须线性正比于波长((N₁-N₂)＝aλ，a为一常数)。惟很难在自然界中找到主轴折射率差具备与波长正比特性的材料，2009年有学者发现在一种螳螂虾的眼睛中具备在可见光范围均匀延迟四分之一波的波板，知名期刊nature photonics以完美波板为名报导此一发现。

近来有学者提出以次波长光栅(Subwavelength grating)的结构来制作一可减少因波长变化所致相位延迟量变化的波板，惟其制作困难，目前仅有设计提出。

对称膜堆(性质，与厚度对称)(symmetrical film stack)，如膜层为ABA或ABCBA或ABCDCBA等奇数层膜堆。对称膜堆之光学特性可等效为一具有折射率N与相厚度φ的等效薄膜，相厚度的物理意义为光进入薄膜后所行进的波长量，或称之光相位的变化量。对称膜堆之等效折射率N与相厚度φ为波长λ、组成薄膜中每层折射率、入射角、厚度的函数。若将此对称膜堆重复m次，则等效的薄膜折射率仍为N，然相厚度φ会增为原来的m倍(亦即mφ)。

【发明内容】

本发明的目的之一，在于提供具有至少一非均向性薄膜的相位延迟器，此相位延迟器能于广波域的范围具有相当均匀的相位延迟效果，此一效果又称为低色差相位延迟。

本发明的目的可藉由结合一类对称膜堆与非均向性薄膜的特性而达成。

结合非均向性材料与(类)对称膜堆，本发明设计一多层(类)对称膜系，该膜系可由均向膜与非均向膜(至少一非均向膜)组成，整体折射率对应两偏极态(a，b)的偏极光，会有不同的折射率N函数N_a、N_b以及mφ(相位延迟)函数。如标示为N_a与mφ_a，N_b与mφ_b，该四者皆为每一层对应其偏极态(a或b)之波长、组成薄膜每层的折射率、入射角、厚度的函数，其中mφ_a与mφ_b函数可透过每层对应其偏极态(a或b)之波长与厚度的安排与优化，使函数mφ_a-mφ_b(相位延迟)在某一波域为定值或是接近定值的效果。

选择性地，进一步可透过在该膜堆与入射介质之间或在膜堆与基板之间加入单层或多层(至少一层)的匹配膜，使得在相位延迟区域(如400-700nm间)保持均匀的透射率。如此，经过此波板后，两偏极态(a，b)的偏极光有实质相同的光束强度。另一方法为微调变动对称膜堆的厚度，亦可达到在相位延迟区域保持均匀透射率的效果。

根据一实施例，一种具非均向性薄膜的相位延迟器包含：一透明基板；与至少一(类)对称性膜堆(pseudo symmetrical film stack)，堆叠于该透明基板上，该(类)对称性膜堆包含奇数的薄膜，该奇数的薄膜中具有一位于中间的中间层薄膜，相对于该中间层薄膜，其两侧的薄膜的性质成类似对称的关系，其中奇数的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。