[发明专利]一种微纳结构偏振滤光复合功能器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚波长结构光学器件，具体涉及一种兼有滤光和偏振复合输出特征的亚波长结构器件。

背景技术

在平板显示领域，液晶面板(LCD)是整个光电显示的核心，而偏振片和彩色滤光片又是面板的核心，研究超薄型轻量化、低耗电、高光利用率、以及高精细度和高画质是下一代平板显示的目标，各国均在投入巨资进行研发，我国也列入了中长期科技发展规划。目前美、日等国的专利产品均采用几个独立的偏振片和彩色滤光片器件，每个器件的功能是独立的，其缺点是，光能损耗和体积均较大，滤光片颜色带宽较大，存在较大光谱重叠，偏振片的偏振度较小。这些关键性能参数影响了LCD的再现色域/色饱度及对比度。目前滤光片主要制作方法为颜料分散法，在R(红)G(绿)B(蓝)着色时需要几十项工序，生产效率低，存在染料污染。因此研究和发展性能优异的具有偏振和彩色滤波两者复合功能的光学器件，对提高下一代平板显示性能和掌握核心技术有着及其重要的意义。

传统的衍射光学元件一般具有500～600纳米周期的特征线宽，这类衍射元件具有优异的分光功能。当光学特征结构进一步减小到小于波长时(亚波长结构)，传统的衍射特性发生了根本改变。典型的亚波长元件一般具有50～500纳米的特征线度，这类光学器件由于只具有零级衍射因而可获得对光的精确控制而避免光能在其他级次的损失。通过选择合适的材料，精确的结构计算和设计，这类光学器件可展示优良的偏振、双折射，或者同时偏振和双折射特性。到目前为止，已经报道的在亚波长光学器件中实现的功能包括偏振器、双折射镜、位相延迟波片、无光反射表面、光谱滤光片等。由于微纳结构器件独特的光学性能可在小于1微米的平面厚度内实现，与传统的体光学器件相比，它具有体积超小超薄、可靠性高等优点。同时，由于其制造工艺可方便地在现有半导体生产工艺的基础上加以拓展，其光学功能和其他功能可集成在同一流程中完成，或者多个光学功能可集成在同一芯片中完成，因而其在光电子器件、集成光子学、新型光显示、光通讯领域有着巨大的应用前景和研究价值。

在微纳结构的单偏振特性研究方面，文献I.Yamada，K.Kintaka，J.Nishii，S.Akioka，Y.Yamagishi，and M.Saito，Mid-infrared wire-grid polarizer with silicides，Optics Letters，33(3)，258-260，2008.，公开了基于硅化钨的中红外纳米结构(周期400纳米)偏振功能，偏振度可达20dB。此后，用于红外偏振成像和可见光波段的纳米偏振器阵列被多次报道，通过结构的改进，获得了更大的偏振度及更高的透光率。在微纳结构的滤光特性研究方面，2006年日本Tohoku大学研究人员首次提出了基于石英/硅的亚波长光栅结构的可见光波段三基色彩色滤光片，采用周期为400/350/440nm的硅光栅得到透光率分别为71％、58％和59％的红/绿/蓝三基色光，实现了采用透射光栅结构的无高阶次衍射滤光功能。2007年和2008年，韩国Kwangwoon大学的研究人员又提出了基于亚波长金属光栅结构和多晶硅光栅结构的可见光波段彩色滤波功能。

但是，到目前为止，不管是传统的衍射光学元件，还是微纳结构的器件，所有器件偏振或滤光都是单一功能的。要获得偏振和彩色滤波功能，只能通过多个器件的组合实现，光能损耗大，体积也难以进一步缩小。

发明内容

本发明目的是提供一种微纳结构的偏振滤光复合功能器件，在同一薄膜器件上同时获得偏振和滤波功能，以减少光能损耗，缩小器件体积。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微纳结构偏振滤光复合功能器件，包括非金属基底和光栅层，在所述非金属基底和光栅层之间，设置有过渡层，令非金属基底的折射率为n0，过渡层的折射率为n1，则，0.2＜n1-n0＜1.5，过渡层的厚度为40～180纳米，光栅层的厚度为30～120纳米。

优选的技术方案，所述光栅层材料为铝。

另一种优选的技术方案是，所述光栅层材料为银，0.5＜n1-n0＜1.0。

上述技术方案中，过渡层的结构设计有两种形式。其一，所述光栅层的占空比为0.6～0.8，所述过渡层为与光栅层周期和占空比相同的光栅结构。

其二，所述光栅层的占空比为0.6～0.8，所述过渡层为连续层结构。

优选的技术方案，过渡层的厚度为80～120纳米，光栅层的厚度为60～100纳米。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：