專利名稱：一種金屬線柵寬帶偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光學系統(tǒng)中的光學器件，特別涉及一種金屬線柵偏 振器。
背景技術(shù)：
偏振器一般可以被分為分色偏振器，各向異性晶體偏振器，布氏 角偏振器以及線柵偏振器。但是上述每一種偏振器都只能夠?qū)?yīng)一個較 小的和相對固定的工作波長范圍。對于很多光學和光電子學應(yīng)用領(lǐng)域來 說，人們都希望得到一種寬帶的偏振器，它的工作波長范圍能夠覆蓋整 個紫外—可見一紅外光波段。
納米金屬線柵偏振器就是這樣一種能夠達到這一要求的器件。到目 前為止，在無線電波、微波和遠紅外領(lǐng)域亞波長金屬線柵偏振器己經(jīng)得 到了廣泛的應(yīng)用。而且隨著納米加工技術(shù)的不斷發(fā)展，制備出線條更小 的這種偏振器，并將其應(yīng)用到近紅外、可見、甚至紫外光波段也已經(jīng)成
為可能。2005年，美國普林斯頓一研究所和中國武漢郵電科學研究院分
別利用紫外光納米壓印方法和電子束刻蝕方法在玻璃基板上制備成功
200納米線寬的金屬線柵偏振器，該偏振器的工作波長在1520 — 1570納 米的通信波段。2006年，瑞士微納技術(shù)研究所和美國普林斯頓一研究所 運用深紫外相干刻蝕技術(shù)成功的在玻璃基板上制備出線寬在100納米的 金屬線柵偏振器，其工作波段范圍達到了 300—900納米。這些最新的研 究成果都證明了利用金屬線柵偏振器可以實現(xiàn)器件在近紅外、可見、及 紫外波段工作，但是科研人員始終沒有解決用一個偏振器可以同時工作 在紅外、可見、及紫外波段這一難題。2007年中國武漢華中科技大學一研究小組提出了一種在氟化鈣基片上鍍金屬鋁納米線柵結(jié)構(gòu)的偏振器，
其工作波長能夠達到300—5000納米，參見文獻Z. Y. Yang and Y. F. Lu, "Broadband nanowire-grid polarizers in ultraviolet-visible-near-infrared regions," Opt. Express, vol. 15, no. 15, Jul. 2007， pp. 9510-9519,但是這一 偏振器的結(jié)構(gòu)非常復雜，它需要在基板的上下兩個表面都制備出金屬納 米線柵，這大大增加了制作的工藝難度。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提出一種金屬線柵寬帶偏振器，目的在于使其具有高的 偏振光消光比和光通量，同時結(jié)構(gòu)簡單，工作波長范圍寬。
本實用新型的一種金屬線柵寬帶偏振器，在基板上沉積出平行條狀 金屬鋁納米線柵，其特征在于所述基板為在紫外到紅外波段均透明的 光學材料；所述金屬鋁納米線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為線柵周期長度40 — 80納 米，線柵占空比60%—40%，線柵厚度40 — 80納米，層間距10—20納 米。
所述的金屬線柵寬帶偏振器，所述基板的光學材料為氟化鈣、氟化 鎂或氧化鋁。
本實用新型金屬線柵寬帶偏振器的制備方法，包括下述步驟 (1).對基板進行清洗；
(2 ).用化學氣相沉積的方法在基板表面沉積一層保護膜；
(3) .在保護膜上旋涂一層光刻膠；
(4) .在光刻膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)，暴露出相應(yīng)部分的保護膜;
(5) .用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備在保護膜上刻出納米線柵結(jié)構(gòu)，暴露出 相應(yīng)部分的基板；(6) .用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備在基板上刻出納米線柵結(jié)構(gòu)，刻蝕深度 為50—100納米；
(7) .用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備除去基板上剩余的保護膜；
(8) .用磁控濺射設(shè)備在基板垂直表面鍍上鋁金屬膜，鋁金屬膜厚 度為40—80納米，形成平行條狀金屬鋁納米線柵。
在光刻膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)時，采用聚合物薄膜的納米自成型 方法。在本實用新型整個工藝過程中，關(guān)鍵是如何在光刻膠表面得到大 面積納米線柵結(jié)構(gòu)。聚合物薄膜的納米自成型方法是2007年9、月由美國 普林斯頓大學一研究小組首先提出的，參見文獻Leonard F. Pease III等， "Self-formation of sub-60-nm half-pitch gratings with large areas through fracturing," Nature Nanotechnology, Vol. 2， Sep. 2007, pp-545-548.。采用聚 合物薄膜的納米自成型方法，過程簡單，不需要預(yù)先制備掩模板，對線 寬的控制比較方便，成形面積大，而且成本低。利用這種方法，目前已 經(jīng)制備出了線寬小于60納米的線柵結(jié)構(gòu)。
本實用新型的寬帶偏振器，結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)整和優(yōu)化金屬鋁納米 線柵的參數(shù)(如線柵周期長度、高度等)，在300—5000 nm波段范圍 的偏振消光比可達到33—70 dB，偏振光透過率可達到68%—94%，優(yōu) 于現(xiàn)有的偏振器；能夠?qū)崿F(xiàn)在300—5000納米寬帶波長范圍內(nèi)的工作， 工作波長范圍可以覆蓋紫外一可見一紅外光波段。適用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)、 自由空間光網(wǎng)絡(luò)、磁光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、基于偏振原理的圖像處理系統(tǒng)。


圖1為本實用新型的寬帶偏振器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2 (a)、 (b)、 (c)分別為本實用新型的第一種實施例以氟化鈣、 氟化鎂、氧化鋁為基板的光學特性曲線；
圖3 (a)、 (b)、 (c)分別為本實用新型的第二種實施例以氟化鈣、氟化鎂、氧化鋁為基板的光學特性曲線；
圖4 (a)、 (b)、 (c)分別為本實用新型的第三種實施例以氟化鈣、 氟化鎂、氧化鋁為基板的光學特性曲線；
圖5為本實用新型的制備方法工藝流程圖。
具體實施方式
對金屬鋁納米線柵偏振器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和光學性能的分析，采用時域 有限差分(FDTD)算法來完成。圖1所示為本實用新型的寬帶偏振器結(jié) 構(gòu)示意圖。圖中的基板選擇在紫外到紅外波段透明的光學材料，如氟化 鈣、氟化鎂、氧化鋁。在金屬納米線柵材料的選擇上采用了具有高消光 比、高光通量的鋁材料。
圖中標記為金屬鋁納米線柵l，偏振器基板2，線柵周期長度p， 刻蝕寬度w，占空比力二Wp,線柵的厚度"層間距c/。
圖2 (a)、 (b)、 (c)所示分別為以氟化鈣、氟化鎂、氧化鋁為基板 的金屬鋁納米線柵偏振器的光學特性曲線，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為^=40納 米，Z=60%， F40納米，"=10納米。圖中，黑實框連成的曲線表示 器件的消光比，白方框連成的曲線表示器件的透過率，從圖中可以看出 這三種偏振器都能夠工作在300—5000納米這一寬帶的光譜范圍。在它 們之中以氟化鎂為基片的偏振器有更好的光學特性。這主要是因為氟化 鎂的折射率較低，從而可以降低光的反射損耗。
圖3 (a)、 (b)、 (c)所示分別為以氟化鈣、氟化鎂、氧化鋁為基板 的金屬鋁納米線柵偏振器的光學特性曲線，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=60納 米，/1=50%， F60納米，d二15納米。圖中，黑實框連成的曲線表示 器件的消光比，白方框連成的曲線表示器件的透過率，從圖中可以看出 這三種偏振器都能夠工作在300—5000納米這一寬帶的光譜范圍。
圖4 (a)、 (b)、 (c)所示分別為以氟化鈣、氟化鎂、氧化鋁為基板的金屬鋁納米線柵偏振器的光學特性曲線，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為p二80納 米，乂=40%， F80納米，d二20納米。圖中，黑實框連成的曲線表示 器件的消光比，白方框連成的曲線表示器件的透過率，從圖中可以看出 fe三種偏振器都能夠工作在300—5000納米這一寬帶的光譜范圍。
圖5所示為本實用新型的制備方法工藝流程圖。圖中虛線層表示基 板，斜線層表示保護膜，白色層表示光刻膠和鋁金屬膜，(l)對基板進 行清洗；(2)用化學氣相沉積(CVD)的方法在基板表面沉積一層保護 膜；(3)在保護膜上旋涂一層光刻膠；(4)用聚合物自成型方法，在光 刻膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)；(5)用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備在保護膜上刻出 納米線柵結(jié)構(gòu)，暴露出相應(yīng)部分的基板；(6)用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備在基 板上刻出納米線柵結(jié)構(gòu)，刻蝕深度為50—100納米；(7)用反應(yīng)離子刻 蝕設(shè)備除去基板上剩余的保護膜；(8)用磁控濺射設(shè)備在基板垂直表面 鍍上鋁金屬膜，鋁金屬膜厚度為40—80納米，形成平行條狀金屬鋁納米紋微。
權(quán)利要求1.一種金屬線柵寬帶偏振器，在基板上沉積出平行條狀金屬鋁納米線柵，其特征在于所述基板為在紫外到紅外波段均透明的光學材料；所述金屬鋁納米線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為線柵周期長度40-80納米，線柵占空比60％-40％，線柵厚度40-80納米，層間距10-20納米。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬線柵寬帶偏振器，所述基板的光學材料 為氟化鈣、氟化鎂或氧化鋁。
專利摘要一種金屬線柵偏振器，屬于光學器件，目的在于具有高偏振光消光比和光通量，結(jié)構(gòu)簡單，工作波長范圍寬。本實用新型的偏振器，在基板上沉積金屬鋁納米線柵，基板為在紫外到紅外波段均透明的光學材料；金屬鋁納米線柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為線柵周期長度40-80納米，線柵占空比60％-40％，線柵厚度40-80納米，層間距10-20納米。本實用新型寬帶偏振器在300-5000nm波段范圍的偏振消光比可達到33-70dB，偏振光透過率可達到68％-94％。
文檔編號G02B5/30GK201387494SQ20072008854
公開日2010年1月20日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者戴能利, 李玉華, 光 楊, 楊振宇, 陸培祥, 華 龍 申請人:華中科技大學