一種金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器，其主體結(jié)構(gòu)包括自上而下的SiO2覆蓋膜層和銀質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)上有通過蝕刻方法獲得的光柵槽，該發(fā)明涉及的主要參數(shù)如下，覆蓋膜層的折射率為1.46，覆蓋膜層的厚度為154.2nm，光柵槽槽深為139.7nm，光柵結(jié)構(gòu)的占空比為0.14，光柵結(jié)構(gòu)的周期為68nm，入射角為20°?40°，該發(fā)明在900?1200nm波段其相位延遲量在90°的范圍內(nèi)最大偏差小于2.3％，該發(fā)明采用金屬介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)，其透射率高、寬光譜、偏振性能好，適合工藝上的生產(chǎn)制備，性能上滿足光學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ幌嘌舆t器的要求，其主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，應(yīng)用環(huán)境友好。
【專利說明】
-種金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種消色差相位延遲器，特別是一種金屬介 質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器。
【背景技術(shù)】：
[0002] 光學(xué)相位延遲器是光學(xué)儀器設(shè)計(jì)與光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中的常用元件之一，它能夠使得 偏振光的兩個(gè)垂直分量產(chǎn)生附加光程差(或相位差），從而可用于改變光波的偏振態(tài)(例如 從線偏振光變成圓偏振光，從楠圓偏振光變成線偏振光等），或者檢查光波的偏振態(tài)。根據(jù) 相位延遲量的不同可分為1/4波片、1/2波片和全波片等。傳統(tǒng)相位延遲器通常采用具有雙 折射特性的雙折射晶體、多層介質(zhì)膜或液晶等制作。消色差相位延遲器大大消弱了相位延 遲量對(duì)波長(zhǎng)的依賴關(guān)系，可W在寬光譜下對(duì)偏振光的調(diào)制。實(shí)現(xiàn)消色差通常有復(fù)合波片、多 層介質(zhì)薄膜和光柵型=種形式。復(fù)合波片有二元復(fù)合波片和=元復(fù)合波片，復(fù)合波片是由 若干片晶片組合而成，且各片晶片的光軸互成一定的角度。其中，由兩片相同材料的晶片按 光軸夾角為90°構(gòu)成的復(fù)合波片可W抵消大部分的晶體厚度，但沒有消色差功能;而由不同 種材料的兩片或多片晶片組合而成的復(fù)合波片能夠消除波片本身的色差，稱為消色差復(fù)合 波片。復(fù)合波片的運(yùn)種改善波片加工精度及消除波片本身色差的性能是單片晶片所不具有 的，因此使得復(fù)合波片在光學(xué)儀器設(shè)計(jì)與光學(xué)測(cè)量中被大量使用。雙波片通常是指由兩個(gè) 同種材料或不同材料的零級(jí)波片組合而成的復(fù)合波片，是復(fù)合波片中最簡(jiǎn)單最常用的一 種。但是，由不同材料制作的消色差雙波片的消色差波段范圍也很有限，尤其是在紫外波 段，運(yùn)樣的消色差雙波片的適用波段范圍更窄，而且復(fù)合波片對(duì)波長(zhǎng)、溫度和入射角度極為 敏感，調(diào)節(jié)和使用需要極高的精度;而多層介質(zhì)薄膜形式通常是由層薄膜交替沉積而成，結(jié) 構(gòu)比較復(fù)雜，制作成本高;傳統(tǒng)的光柵實(shí)現(xiàn)位相延遲器需要精密的介質(zhì)膜層，而且厚度對(duì)光 柵結(jié)構(gòu)的容差較小。因此，設(shè)及制備一種亞波長(zhǎng)金屬介質(zhì)膜光柵的寬光譜消色差相位延遲 器，金屬介質(zhì)膜光柵的結(jié)構(gòu)，能夠在900nm-1200nm的波段范圍內(nèi)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)消色差功效，性能 優(yōu)異，同時(shí)槽深和入射角具有較大的工藝容差，能夠滿足光學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ幌嘌舆t器的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，針對(duì)紅外波段，尋求設(shè)計(jì)一種金屬 介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器，該發(fā)明對(duì)于中屯、波長(zhǎng)為1053皿的水平極化波(TE波)和垂 直極化波(TM波），能在900皿-1200皿的波段范圍，在0級(jí)實(shí)現(xiàn)消色差1/4相位，消弱相位延遲 量對(duì)波長(zhǎng)的依賴關(guān)系，在寬光譜下對(duì)偏振光調(diào)制效果好。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)及的金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器的主體結(jié) 構(gòu)包括:覆蓋膜層、光柵結(jié)構(gòu)、光柵槽和基座，Si〇2材質(zhì)的覆蓋膜層為平面薄膜結(jié)構(gòu)，覆蓋膜 層的厚度為154.2nm，覆蓋膜層固定置于光柵結(jié)構(gòu)的具有光柵槽的側(cè)面上，覆蓋膜層的折射 率色散影響小，覆蓋膜層的折射率n=l.46;覆蓋膜層在光柵結(jié)構(gòu)的衍射過程中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)層 的功效并能夠保護(hù)光柵結(jié)構(gòu);光柵結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為金屬銀，金屬銀的折射率隨著波長(zhǎng)的變化 成正相關(guān)，光柵結(jié)構(gòu)具有剩余厚度，能夠提高光的反射率，還能夠降低光柵的制備難度，光 柵結(jié)構(gòu)的上表面處通過蝕刻工藝制得并列式分布的光柵槽，光柵槽的深度為139.7nm;光柵 結(jié)構(gòu)的占空比為0.14,光柵結(jié)構(gòu)的周期為68nm;Si〇2材質(zhì)的基座固定置于光柵結(jié)構(gòu)的下表 面處，支撐穩(wěn)定光柵結(jié)構(gòu)；該發(fā)明設(shè)及的入射光的波長(zhǎng)為900nm-1200nm，入射角度為20°- 40。。
[0005] 本發(fā)明設(shè)及的金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器的主體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算工藝如 下:將光柵結(jié)構(gòu)分成許多平行的薄層，利用禪合波方程求解每一層中的電磁場(chǎng)，在每一層的 邊界上按順序應(yīng)用邊界條件，通過數(shù)值計(jì)算求解每層麥克斯韋方程組，獲得各衍射級(jí)次透 射振幅系數(shù)Ete、Etm，即波的衍射效率;其中，
[0006] ( 1 >
[0007] (2)
[000引其中瓜￡冊(cè)1?為各衍射級(jí)次透射振幅系數(shù)，爭(zhēng)拓、爭(zhēng)邸為16波和11波的相位，^^1取 為TE波和TM波的相位差，angle為求解復(fù)數(shù)幅角的函數(shù)；
[0009] 利用化Ude模型描述銀的色散關(guān)系：
[0010]
(3)
[0011] 其中，6?是介電常數(shù)值為2.3646的大頻率的極限值，CO是入射波長(zhǎng)的角頻率，丫 D =0.07489eV是阻尼振蕩的頻率，《D = S.7377eV是多數(shù)等離子體頻率，《li = 4.3802eV，gLi = 0.26663, 丫 Li = O.28eV，gL2 = 0.7337,《L2 = 5.183eV，A ￡ = 1.1831，丫 L2 = 0.5482eV，上述 運(yùn)些參數(shù)提供了關(guān)于銀的介電常數(shù)的數(shù)據(jù)，因此銀在900nm-1200nm范圍的折射率近似采用 n = 0.2309-7.1452i ; W與90°的差值的絕對(duì)值為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出全局最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果：
[0012] RMS=mean(abs(9〇-deltaf i)) (4)
[0013] 其中，deltafi為TE和TM的相位差，RMS為最佳適應(yīng)度，其值越小，代表相位差越接 近90%所設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)性能越優(yōu)良；為使相位延遲量在90°左右，利用嚴(yán)格禪合波理論 (RCWA)，建立1/4相位延遲器的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)函數(shù)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)在900nm-1200nm時(shí)，采用 遺傳算法，對(duì)光柵結(jié)構(gòu)的周期、占空比和光柵槽槽深等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出本發(fā)明設(shè)及的 相位延遲器的最優(yōu)參數(shù)如下:覆蓋膜層的折射率na為1.46,覆蓋膜層的厚度dsi日2為154.2nm， 光柵槽的槽深D為139.7nm，光柵結(jié)構(gòu)的占空比f為0.14,光柵周期A為68,入射角0為20°- 40°，入射波長(zhǎng)A為900nm-1200nm。
[0014] 如圖2所示，橫坐標(biāo)代表入射波波長(zhǎng)變化范圍900皿-1200nm，縱坐標(biāo)代表0級(jí)TE波 和TM波的相位，圖2表明TE波和TM波有位相跟隨的特性，其延遲量在90° ± 2°之間，有相對(duì)固 定的相位差；圖3和圖4所示的TE波與TM波的相位差隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖中，能夠更直觀的觀 察TE波和TM波的相位差，波長(zhǎng)在900-1200nm之間變化時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)的相位延遲為90° ±2°， 當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)達(dá)到90°的相位延遲時(shí)，需要兩種偏振模式下的光有較高的衍射效率，為提高相 位延遲器的衍射效率，采用反射光；圖5所示呈現(xiàn)出衍射效率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，由于金屬 較強(qiáng)的吸收特性，很難獲得高衍射效率和抗激光損傷闊值，金屬有較高的反射率，所WTE波 和TM波的衍射效率高于90 %，實(shí)現(xiàn)了消色差1/4相位延遲，其延遲量在90° ± 2°之間；圖6為0 級(jí)TE波與TM波的相位差隨波長(zhǎng)和入射角的變化圖，入射角在20° -40°之間，波長(zhǎng)在900皿一 1200nm之間變化時(shí)，能夠使得相位差在90°左右，波長(zhǎng)和入射角有比較大的變化空間。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用金屬介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)，透射率高、寬光譜、偏振性能 好，相位延遲量保持在90°左右，偏差不超過2.3 %，其光譜帶寬能夠達(dá)到300nm，基于嚴(yán)格禪 合波理論，其工藝容差在合理范圍內(nèi)，性能上滿足光學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ幌嘌舆t器的要求;其主體結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)性能穩(wěn)定，相位延遲效果好，應(yīng)用環(huán)境友好，市場(chǎng)前景廣闊。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明設(shè)及的TE波和TM波相位跟隨特性圖。
[001引圖3為本發(fā)明設(shè)及的TE波與TM波的相位延遲量的光譜曲線圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明設(shè)及的相位延遲量在2° W內(nèi)的光譜曲線圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明設(shè)及的衍射效率光譜曲線圖。
[0021 ]圖6為本發(fā)明設(shè)及的相位差隨波長(zhǎng)和入射角的變化曲圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] 實(shí)施例：
[0024] 本實(shí)施例設(shè)及的金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器的主體結(jié)構(gòu)包括覆蓋膜層 1、光柵結(jié)構(gòu)2、光柵槽3和基座4，Si化材質(zhì)的覆蓋膜層1為平面薄膜結(jié)構(gòu)，覆蓋膜層1的厚度 為154.2nm，覆蓋膜層1固定置于光柵結(jié)構(gòu)2的具有光柵槽3的側(cè)面上，覆蓋膜層1的折射率色 散影響小，覆蓋膜層1的折射率n = l.46;覆蓋膜層1在光柵結(jié)構(gòu)2的衍射過程中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)層 的功效并能夠保護(hù)光柵結(jié)構(gòu)2;光柵結(jié)構(gòu)2的材質(zhì)為金屬銀，金屬銀的折射率隨著波長(zhǎng)的變 化成正相關(guān)，光柵結(jié)構(gòu)2具有剩余厚度，能夠提高光的反射率，還能夠降低光柵的制備難度， 光柵結(jié)構(gòu)2的上表面處通過蝕刻工藝制得并列式分布的光柵槽3,光柵槽3的深度為 139.7皿;光柵結(jié)構(gòu)2的占空比為0.14,光柵結(jié)構(gòu)2的周期為6加 m;Si〇2材質(zhì)的基座4固定置于 光柵結(jié)構(gòu)2的下表面處，支撐穩(wěn)定光柵結(jié)構(gòu)2 ;該實(shí)施例設(shè)及的入射光的波長(zhǎng)為900nm- 1200nm，入射角度為20°-40°。
[0025] 本實(shí)施例設(shè)及的金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器的主體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算工藝 如下:將光柵結(jié)構(gòu)2分成許多平行的薄層，利用禪合波方程求解每一層中的電磁場(chǎng)，在每一 層的邊界上按順序應(yīng)用邊界條件，通過數(shù)值計(jì)算求解每層麥克斯韋方程組，獲得各衍射級(jí) 次透射振幌累擲郵奶的祈射謝莖，見中.
[0026] (1)
[0027] (2)
[002引其中，Ete、Etm為各衍射級(jí)次透射振幅系數(shù)，餐TT、《W為TE波和TM波的相位，4巧 為TE波和TM波的相位差，angle為求解復(fù)數(shù)幅角的函數(shù)；
[0029] 利用化Ude模型描述銀的色散關(guān)系：
[0030]
(3)
[0031] 其中，6^"是介電常數(shù)值為2.3646的大頻率的極限值，CO是入射波長(zhǎng)的角頻率，丫 D =0.07489eV是阻尼振蕩的頻率，《D = S.7377eV是多數(shù)等離子體頻率，《li = 4.3802eV，gLi = 0.26663, 丫 Li = O.28eV，gL2 = 0.7337,《L2 = 5.183eV，A ￡ = 1.1831，丫 L2 = 0.5482eV，上述 運(yùn)些參數(shù)提供了關(guān)于銀的介電常數(shù)的數(shù)據(jù)，因此銀在900nm-1200皿范圍的折射率近似采用 n = 0.2309-7.1452i ; W與90°的差值的絕對(duì)值為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出全局最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果：
[0032] RMS=mean(abs(9〇-deltaf i)) (4)
[0033] 其中，deltafi為TE和TM的相位差，RMS為最佳適應(yīng)度，其值越小，代表相位差越接 近90°，所設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)2性能越優(yōu)良；為使相位延遲量在90°左右，利用嚴(yán)格禪合波理論 (RCWA)，建立1/4相位延遲器的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)函數(shù)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)在900皿-1200皿時(shí)，采用 遺傳算法，對(duì)光柵結(jié)構(gòu)2的周期、占空比和光柵槽3槽深等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出本實(shí)施例設(shè) 及的相位延遲器的最優(yōu)參數(shù)如下：覆蓋膜層1的折射率na為1.46,覆蓋膜層1的厚度dsi〇2為 154.2nm，光柵槽3的槽深D為139.7nm，光柵結(jié)構(gòu)的占空比f為0.14,光柵周期A為68，入射角 0為20°-40°，入射波長(zhǎng)A為900nm-1200nm。
[0034] 如圖2所示，橫坐標(biāo)代表入射波波長(zhǎng)變化范圍900nm-1200nm，縱坐標(biāo)代表0級(jí)TE波 和TM波的相位，圖2表明TE波和TM波有位相跟隨的特性，其延遲量在90° ± 2°之間，有相對(duì)固 定的相位差；圖3和圖4所示的TE波與TM波的相位差隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖中，能夠更直觀的觀 察TE波和TM波的相位差，波長(zhǎng)在900-1200nm之間變化時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)2的相位延遲為90° ± 2%當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)2達(dá)到90°的相位延遲時(shí)，需要兩種偏振模式下的光有較高的衍射效率，為提 高相位延遲器的衍射效率，采用反射光；圖5所示呈現(xiàn)出衍射效率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，由于 金屬較強(qiáng)的吸收特性，很難獲得高衍射效率和抗激光損傷闊值，金屬有較高的反射率，所W TE波和TM波的衍射效率高于90%，實(shí)現(xiàn)了消色差1/4相位延遲，其延遲量在90° ± 2°之間；圖 6為0級(jí)TE波與TM波的相位差隨波長(zhǎng)和入射角的變化圖，入射角在20° -40°之間，波長(zhǎng)在 900nm-1200nm之間變化時(shí)，能夠使得相位差在90°左右，波長(zhǎng)和入射角有比較大的變化空 間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器，其特征在于其主體結(jié)構(gòu)包括:覆蓋膜層、 光柵結(jié)構(gòu)、光柵槽和基座，SiO 2材質(zhì)的覆蓋膜層為平面薄膜結(jié)構(gòu)，覆蓋膜層的厚度為 154.2nm，覆蓋膜層固定置于光柵結(jié)構(gòu)的具有光柵槽的側(cè)面上，覆蓋膜層的折射率n= 1.46; 光柵結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為金屬銀，光柵結(jié)構(gòu)具有剩余厚度，能夠提高光的反射率，還能夠降低光柵 的制備難度，光柵結(jié)構(gòu)的上表面處通過蝕刻工藝制得并列式分布的光柵槽，光柵槽的深度 為139.7nm;光柵結(jié)構(gòu)的占空比為0.14,光柵結(jié)構(gòu)的周期為68nm;Si〇2材質(zhì)的基座固定置于 光柵結(jié)構(gòu)的下表面處，支撐穩(wěn)定光柵結(jié)構(gòu);該發(fā)明涉及的入射光的波長(zhǎng)為900nm-l 200nm，入 射角度為20°-40°。2. 根據(jù)權(quán)利要求所述的金屬介質(zhì)膜光柵的消色差相位延遲器，其特征在于其主體結(jié)構(gòu) 參數(shù)計(jì)算工藝如下：將光柵結(jié)構(gòu)分成許多平行的薄層，利用耦合波方程求解每一層中的電 磁場(chǎng)，在每一層的邊界上按順序應(yīng)用邊界條件，通過數(shù)值計(jì)算求解每層麥克斯韋方程組，獲 得各衍射級(jí)次透射振幅系數(shù)Ete、Etm，即波的衍射效率;其中，(1) (2) 其中，Ete、Etm為各衍射級(jí)次透射振幅系數(shù)，滬φ w為TE波和TM波的相位，d (6)為TE 波和TM波的相位差，angl e為求解復(fù)數(shù)幅角的函數(shù)； 利用Drude模型描述銀的色散關(guān)系：(3) 其中，^是介電常數(shù)值為2.3646的大頻率的極限值，ω是入射波長(zhǎng)的角頻率，yD = 0.07489eV是阻尼振蕩的頻率，ω D = 8.7377eV是多數(shù)等離子體頻率，ω L1 = 4.3802eV，gu = 0.26663, yLi = 0.28eV，gL2 = 0.7337, coL2 = 5.183eV，Δ ε = 1·1831，yL2 = 0.5482eV，上述這 些參數(shù)提供了關(guān)于銀的介電常數(shù)的數(shù)據(jù)，因此銀在900nm-1200nm范圍的折射率近似采用η =0.2309-7.1452i ;以與90°的差值的絕對(duì)值為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出全局最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果： RMS=mean(abs(9〇-de Itafi)) (4) 其中，de Itaf i為TE和TM的相位差，RMS為最佳適應(yīng)度，其值越小，代表相位差越接近 90°，所設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)性能越優(yōu)良；為使相位延遲量在90°左右，利用嚴(yán)格耦合波理論 (RCWA)，建立1/4相位延遲器的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)函數(shù)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)在900nm-1200nm時(shí)，采用 遺傳算法，對(duì)光柵結(jié)構(gòu)的周期、占空比和光柵槽槽深等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出本發(fā)明涉及的 相位延遲器的最優(yōu)參數(shù)如下:覆蓋膜層的折射率~為1 · 46，覆蓋膜層的厚度dSiQ2為154 · 2nm， 光柵槽的槽深D為139.7nm，光柵結(jié)構(gòu)的占空比f為0.14,光柵周期Λ為68,入射角Θ為20°-40°，入射波長(zhǎng)λ為900nm-1200nm〇
【文檔編號(hào)】G02B5/30GK106019456SQ201610670077
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月15日
【發(fā)明人】孔偉金, 李娜, 劉濤, 云茂金, 季淑英
【申請(qǐng)人】青島大學(xué)