一種亞波長反射式一維金屬波片的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學元件技術領域，具體涉及一種亞波長反射式一維金屬波片。
【背景技術】
[0002]在光的研究與應用領域，光的偏振態的產生與轉換控制是至關重要的。偏振是波片的屬性，傳統的光偏振態產生與控制器件大多都是利用雙折射晶體材料，當光入射到雙折射晶體時，由于沿平行和垂直光軸的兩個正交方向具有不同的光學折射率，因此當光透過雙折射晶體時透射光會在這兩個正交方向上產生位相差，從而改變光的偏振態。傳統晶體波片作為一種重要的光學器件，受到物理尺寸的限制，難以滿足微納光電子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微納光電子集成的波片顯得十分迫切。
[0003]由于金屬與介質的表面能夠產生表面等離子共振來控制光與物質的相互作用，當前亞波長金屬結構越來越引起人們的廣泛關注。Khoo和Zhao提出了透射型等離子1/4波片的結構以及實現方法，即在金屬薄膜上設計周期性的相垂直的矩形狹縫，通過控制矩形狹縫的長度、寬度、厚度以排列方式，可實現透射光在沿兩狹縫方向上的振幅和位相可調，并且可以通過優化解決方案來實現在目標波長處兩正交方向上90度的位相差。2012年，Roberts等人提出了一種相似的結構即利用帶有亞波長十字形結構圖案的金屬銀薄膜，通過調節周期性陣列的十字形的幾何尺寸，可以在近紅外特定波長處實現等離子1/4波片的功能。
[0004]除了透射型偏振態轉換器件之外，由于實際需要，反射型偏振器件也引起了許多研究小組的重視。2012年，Pors等人設計了反射型等離子位相延遲器件，分別通過控制十字形、矩形結構兩臂長和邊長，來控制相互垂直的電偶極子的散射共振，從而在特定波長處實現反射式位相延遲器的功能。2013年，王欽華等人利用亞波長矩形環結構實現了反射型四分之一波片的功能。該波片包括第一層金屬層、玻璃層、第二層金屬層。其中，第二層金屬層由若干周期性的二維矩形環陣列構成，通過控制矩形環的臂長和臂寬來控制反射場正交分量的相位差。2014年，E.A.Shaner等人設計并制作了可調諧多波段反射式半波片，該波片包括第一層金屬層、玻璃層、第二層金屬光柵層。通過調節入射角度可以在不同波長實現半波片的功能。
[0005]綜合上述結構，大多是二維結構而且需要通過刻蝕金屬來制作。由于金屬的刻蝕難度大，因此上述結構都存在工藝比較復雜，制作難度大的問題。為了克服現有技術難題，本實用新型提出一種亞波長反射式一維金屬波片，該波片在不同度的波段實現了二分之一和四分之一波片的功能。

【發明內容】

[0006]本實用新型的目的是提供一種亞波長反射式一維金屬波片；其制作簡單，在不同度的波段實現了二分之一和四分之一波片的功能，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
[0007]為達到上述發明目的，本實用新型采用的技術方案是:一種亞波長反射式一維金屬波片，包括納米介質光柵及位于所述納米介質光柵上的金屬層；所述金屬層與所述納米介質光柵之間無間隙；所述金屬層上表面設有類光柵結構；所述納米介質光柵的周期為80?350nm，占空比為0.3?0.8，厚度為50?200nm。
[0008]上述技術方案中，所述金屬層連續。本實用新型的金屬層完全覆蓋納米介質光柵的表面，并向上于其上表面形成類光柵結構；納米介質光柵的槽被金屬填充，與光柵表面的金屬層下表面連為一體，即金屬層與納米介質光柵之間無間隙；納米介質光柵的槽型與幾何尺寸直接決定金屬上表面光柵的槽型和幾何尺寸。
[0009]由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件稱為光柵。一般常用的光柵是在基片(介質)上刻出大量平行刻痕制成，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當于一凹槽，光柵的槽開口朝上。本實用新型中，金屬層上表面設有間隔排列的凹槽，形成類似于光柵的結構，稱為類光柵結構。
[0010]將刻線精度達到納米量級的光柵稱為納米光柵，與傳統光柵相比，其具有兩個重要的特點:超精，刻線位置誤差達到納米量級；超細，刻線的寬度達到亞微米量級。本實用新型中，作為納米介質光柵的介質為Si02、MgF2或者PMMA。
[0011]等效均勻介質理論是一種求解亞波長光柵的衍射理論。亞波長光柵是指波長大于周期量級的光柵。等效均勻介質理論將亞波長光柵結構等效為一種均勻介質膜，這種膜的等效折射率隨光柵占空比的變化而變化，一般來說，TE偏振TM偏振的等效折射率不同，將光柵等效為各向異性的均勻介質膜后，便可以采用薄膜光學中的方法求解光柵衍射。
[0012]現有介質光柵一般是利用衍射分光，金屬光柵還具有偏振片的作用，即當光波入射到亞波長金屬光柵表面時，TE偏振被屏蔽，TM偏振通過。波片則需要入射光的TE和TM偏振波都通過并且強度相等，而相位差變化，從而實現入射光偏振態的改變。當光波兩正交方向的電場分量的相位差為90度時即為四分之一波片，具有把線偏光轉化為圓偏振光的功能，當光波兩正交方向的電場分量的相位差為180度時即為二分之一波片，具有轉動線偏振光偏振角的作用。本實用新型首次利用類似光柵槽型的形狀，制備的產品具有反射式波片的性能，而且在不同度的波段實現了二分之一和四分之一波片的功能，同時解決了現有工藝存在的金屬槽型難以制作的問題，取得了意想不到的技術效果。
[0013]上述技術方案中，所述金屬為金、銀、鋁、鎘等反射率高的材料；優選為鋁。可以采用磁控濺射方式在所述納米介質光柵上設置金屬層。納米介質光柵的槽被金屬填充，凸起部分也被濺射同樣厚的金屬，從而形成類似光柵的槽型結構。
[0014]上述技術方案中，所述金屬層頂端與介質光柵上表面的距離是30?50nm。如果最小距低于30nm，入射光會穿過金屬層進而在與介質接觸的表面激發表面等離子形成超透的現象，從而會大大降低波片的反射效率。然而如果金屬層太厚，在制作產品的過程中金屬表層的形貌會發上畸變，導致所設計波片的性能降低，甚至無法使用。
[0015]所述納米介質光柵的周期為80?350nm，占空比為0.3?0.8，厚度為50?200nm。符合波片使用的常規波長。在波片的設計過程中，介質光柵結構的高度Hl和占空比W/P對波片的相位差起到主要作用，金屬層的厚度主要影響波片的反射效率，而介質光柵的周期在亞波長范圍內對波片的性能有影響，如果介質光柵的周期超出合適范圍，最后所得的波片會產生光柵的衍射效應，影響波片的使用效果；同時如果周期過小，則會大大增加波片制作的難度。
[0016]本實用新型的波片是一維結構而不是二維的圖形結構，因此可采用傳統的工藝大面積制作，且不需要刻蝕金屬，制作簡單，有較好的應用前景。
[0017]本實用新型的原理是:由于類光柵槽型具有各向異性的特性，平行柵線和垂直柵線的兩個方向上的折射率不相同，當入射的線偏振光以偏振方向與柵線成角入射到金屬線柵上時，反射場沿兩正交方向分量的相位會有差異。當兩者相位差滿足是180度的奇數倍，并且振幅Ex、Ey相等時，即為二分之一波片；當兩者相位差滿足是90度的奇數倍，并且振幅Ex、Ey相等時，即為四分之一波片。本實用新型首次設計出簡單的結構和簡單的制備工藝，得到了具有二分之一和四分之一波片的功能產品，取得了意想不到的效果。
[0018]由于上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點:
[0019]1.本實用新型首次公開了帶有類似光柵結構的亞波長反射式一維金屬波片，其在不同度的波段實現了二分之