本發(fā)明設(shè)計一種紅外偏振器，特別涉及一種帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器。

背景技術(shù)：

亞波長金屬線柵是由于結(jié)構(gòu)的不對稱性而產(chǎn)生的對偏振光的敏感性，通過對基底材料、金屬材料、線柵槽內(nèi)的填充材料以及占空比等參數(shù)的調(diào)控來達到對亞波長金屬線柵光學調(diào)控的目的。亞波長金屬線柵偏振器具有體積小、可集成化、設(shè)計靈活、對偏振光敏感等特點，在集成光學、微納器件等方面具有很大的應用潛力，在偏振成像、光電檢測、光學傳感、導航等領(lǐng)域具有很大的應用前景。因此設(shè)計和制備寬光譜、高tm波透射率和高消光比的線柵偏振器一直是人們的追求目標。

2005年，美國nanoopto公司設(shè)計并制備了在1.52μm-1.57μm波段的周期為200nm的金屬線柵偏振器，該結(jié)構(gòu)中在線柵的底部、中部和線柵的上部分別蒸鍍多層抗反射膜，tm透過率高達97％，消光比超過40db，但是該偏振器引入了多層抗反射膜，且具有較高的深寬比(約7：1)，增加了制備的難度，不易大規(guī)模制備，見j.j.wang,w.zhang,andz.deng,etal.high-performancenanowiregridpolarizers.2005,opticsletters.30(2):195-196。2008年，美國戴頓大學設(shè)計了在si基底和al線柵之間加一層50nm厚的sio2抗反射層的線柵偏振器，其工作波長為1.5-5μm，tm透過率高達70％，消光比大于40db。但本文沒有解釋sio2作為抗反射膜層的物理機理，見z.wu,p.e.powers,a.m.saranganetal.opticalcharacterizationofwiregridmicropolarizersdesignedforinfraredimagingpolarimetry[j].2008,opticsletters,33(15):1653-1655。蘇州大學采用嚴格耦合波理論設(shè)計了一種基于一維亞波長金屬線柵結(jié)構(gòu)的具有偏振和彩色濾光片功能的偏振型彩色濾光片，該結(jié)構(gòu)是在低折射率聚甲基丙烯酸甲酯基底與金屬al光柵之間加一層高折射率介質(zhì)線柵層，透過率大于72.6％，消光比大于40db，見葉燕,周云,張恒.金屬光柵型偏振彩色濾光片.2011,光學學報，31(4),0405003,1-7。

以上研究結(jié)果大部分都是采用均勻的介質(zhì)膜層作為抗反射膜，采用介質(zhì)線柵作為抗反射層的研究較少，且大部分用于可見光波段，本發(fā)明主要是將介質(zhì)線柵層插入基底與金屬線柵之間，獲得更高的tm透射率和消光比，來滿足紅外波段對偏振器的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器。

本發(fā)明帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的結(jié)構(gòu)為：從基底3自下而上依次是低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2、亞波長金屬線柵層1；

所述的低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2的折射率在1.3-2.4之間，厚度h1為30-200nm，低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2的材料采用mgf2、sio2、或tio2。周期p是200-500nm，占空比w/p是0.4-0.6。

所述的亞波長金屬線柵層1周期和占空比與低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2相同，厚度h2是100-200nm，金屬材料選用al、cu、ag或au。

本發(fā)明優(yōu)點在于：通過基底和亞波長金屬線柵之間插入一層具有同樣占空比的低折射率亞波長介質(zhì)線柵層，可有效地提高線柵偏振器在中波紅外波段的tm偏振光的透射率和消光比。亞波長金屬線柵偏振器具有體積小、可集成化、設(shè)計靈活、對偏振光敏感等特點，在集成光學、微納器件等方面具有很大的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為亞波長金屬線柵層，2為低折射率亞波長介質(zhì)線柵層，3為透明基底。

圖2為本發(fā)明實施例1中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的tm、te透射率與入射光波長關(guān)系圖。

圖3為本發(fā)明實施例1中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的消光比與入射光波長關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明實施例2中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的tm、te透射率與入射光波長關(guān)系圖。

圖5為本發(fā)明實施例2中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的消光比與入射光波長關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明實施例3中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的tm、te透射率與入射光波長關(guān)系圖。

圖7為本發(fā)明實施例3中帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的消光比與入射光波長關(guān)系圖。

具體實施方式

對帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和光學性能的分析，采用有限局域差分法fdtdsolutions軟件模擬計算來完成。如圖1所示，圖1為本發(fā)明的帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖。選用具有高的消光系數(shù)的金屬鋁作為線柵的金屬材料。從基底3自下而上依次是低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2、亞波長金屬線柵層1。圖中亞波長金屬線柵和低折射率亞波長介質(zhì)線柵層的周期相同，都為p，線柵寬度為w，占空比f定義為w/p，低折射率亞波長介質(zhì)線柵層2的厚度為h1，亞波長金屬線柵層的厚度為h2。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進一步詳細說明。

實施例1：

參見圖1所示的帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖，基底選擇藍寶石(al2o3)，入射光為3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射線柵層2是mgf2，厚度h1為100nm，金屬線柵的材料為au，周期p為400nm。厚度h2為150nm，占空比為0.5。

在該結(jié)構(gòu)條件下，tm、te透射率與入射光波長關(guān)系如圖2所示，消光比與入射光的波長關(guān)系如圖3所示，在4μm處，tm透射率95％，消光比29db。

實施例2：

參見圖1所示的帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖，基底選擇si，入射光為3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射線柵層2是sio2，厚度h1為200nm，金屬線柵的材料為al，周期p為500nm。厚度h2為100nm，占空比為0.6。

在該結(jié)構(gòu)條件下，tm、te透射率與入射光波長關(guān)系如圖4所示，消光比與入射光的波長關(guān)系如圖5所示，在4μm處，tm透射率85％，消光比30db。

實施例3：

參見圖1所示的帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖，基底選擇ge，入射光為3-5μm，且垂直入射。低折射率抗反射線柵層2是tio2，厚度h1為30nm，金屬線柵的材料為ag，周期p為300nm。厚度h2為200nm，占空比為0.4。

在該結(jié)構(gòu)條件下，tm、te透射率與入射光波長關(guān)系如圖6所示，消光比與入射光的波長關(guān)系如圖7所示，在4μm處，tm透射率68％，消光比29db。

上述實施例僅示例說明本發(fā)明的原理和功效，而非限制本發(fā)明，任何不超出本發(fā)明實質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實質(zhì)性替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種帶有介質(zhì)和金屬線柵結(jié)構(gòu)的紅外偏振器，本發(fā)明的偏振器，從下至上分別由透明基底，低折射率亞波長介質(zhì)線柵層和亞波長金屬線柵層構(gòu)成。基底為中波紅外波段透明材料，折射率在1.6到4.0之間，低折射率亞波長介質(zhì)線柵層折射率在1.3?2.4之間，金屬線柵周期和介質(zhì)線柵周期相同，在200?500nm之間。通過基底和亞波長金屬線柵之間插入一層具有同樣占空比的低折射率亞波長介質(zhì)線柵層，可有效地提高線柵偏振器在中波紅外波段的TM偏振光的透射率和消光比。亞波長金屬線柵偏振器具有體積小、可集成化、設(shè)計靈活、對偏振光敏感等特點，在集成光學、微納器件等方面具有很大的應用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：孔園園;羅海翰;劉定權(quán)
受保護的技術(shù)使用者：中國科學院上海技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.12
技術(shù)公布日：2017.09.01