[发明专利]一种亚波长反射式一维金属波片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种亚波长反射式一维金属波片及其制备方法。

背景技术

在光的研究与应用领域，光的偏振态的产生与转换控制是至关重要的。偏振是波片的属性，传统的光偏振态产生与控制器件大多都是利用双折射晶体材料，当光入射到双折射晶体时，由于沿平行和垂直光轴的两个正交方向具有不同的光学折射率，因此当光透过双折射晶体时透射光会在这两个正交方向上产生位相差，从而改变光的偏振态。传统晶体波片作为一种重要的光学器件，受到物理尺寸的限制，难以满足微纳光电子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微纳光电子集成的波片显得十分迫切。

由于金属与介质的表面能够产生表面等离子共振来控制光与物质的相互作用，当前亚波长金属结构越来越引起人们的广泛关注。Khoo和Zhao提出了透射型等离子1/4波片的结构以及实现方法，即在金属薄膜上设计周期性的相垂直的矩形狭缝，通过控制矩形狭缝的长度、宽度、厚度以排列方式，可实现透射光在沿两狭缝方向上的振幅和位相可调，并且可以通过优化解决方案来实现在目标波长处两正交方向上90度的位相差。2012年，Roberts等人提出了一种相似的结构即利用带有亚波长十字形结构图案的金属银薄膜，通过调节周期性阵列的十字形的几何尺寸，可以在近红外特定波长处实现等离子1/4波片的功能。

除了透射型偏振态转换器件之外，由于实际需要，反射型偏振器件也引起了许多研究小组的重视。2012年，Pors等人设计了反射型等离子位相延迟器件，分别通过控制十字形、矩形结构两臂长和边长，来控制相互垂直的电偶极子的散射共振，从而在特定波长处实现反射式位相延迟器的功能。2013年，王钦华等人利用亚波长矩形环结构实现了反射型四分之一波片的功能。该波片包括第一层金属层、玻璃层、第二层金属层。其中，第二层金属层由若干周期性的二维矩形环阵列构成，通过控制矩形环的臂长和臂宽来控制反射场正交分量的相位差。2014年，E. A. Shaner等人设计并制作了可调谐多波段反射式半波片，该波片包括第一层金属层、玻璃层、第二层金属光栅层。通过调节入射角度可以在不同波长实现半波片的功能。

综合上述结构，大多是二维结构而且需要通过刻蚀金属来制作。由于金属的刻蚀难度大，因此上述结构都存在工艺比较复杂，制作难度大的问题。为了克服现有技术难题，本发明提出一种亚波长反射式一维金属波片，该波片在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚波长反射式一维金属波片；其制作简单，在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长反射式一维金属波片，包括纳米介质光栅及位于所述纳米介质光栅上的金属层；所述金属层与所述纳米介质光栅之间无间隙；所述金属层上表面设有类光栅结构；所述纳米介质光栅的周期为80～350nm，占空比为0.3～0.8，厚度为50～200nm。

上述技术方案中，所述金属层连续。本发明的金属层完全覆盖纳米介质光栅的表面，并向上于其上表面形成类光栅结构；纳米介质光栅的槽被金属填充，与光栅表面的金属层下表面连为一体，即金属层与纳米介质光栅之间无间隙；纳米介质光栅的槽型与几何尺寸直接决定金属上表面光栅的槽型和几何尺寸。

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。一般常用的光栅是在基片（介质）上刻出大量平行刻痕制成，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一凹槽，光栅的槽开口朝上。本发明中，金属层上表面设有间隔排列的凹槽，形成类似于光栅的结构，称为类光栅结构。

将刻线精度达到纳米量级的光栅称为纳米光栅，与传统光栅相比，其具有两个重要的特点：超精，刻线位置误差达到纳米量级；超细，刻线的宽度达到亚微米量级。本发明中，作为纳米介质光栅的介质为SiO₂、MgF₂或者PMMA。

等效均匀介质理论是一种求解亚波长光栅的衍射理论。亚波长光栅是指波长大于周期量级的光栅。等效均匀介质理论将亚波长光栅结构等效为一种均匀介质膜，这种膜的等效折射率随光栅占空比的变化而变化，一般来说，TE偏振TM偏振的等效折射率不同，将光栅等效为各向异性的均匀介质膜后，便可以采用薄膜光学中的方法求解光栅衍射。