亚波长金属偏振光栅设计与分析
亚波长光栅及其应用的研究
亚波长光栅及其应用的研究一、引言亚波长光栅是指光栅周期小于入射光波长的一种光学元件，具有多种应用场景。
本文将对亚波长光栅及其应用进行详细研究。
二、亚波长光栅的制备方法1. 电子束曝光法：利用电子束在感光材料表面进行曝光和显影，形成亚波长级别的图案。
2. 原子层沉积法：通过原子层沉积技术将金属或半导体材料沉积在基底上，形成亚波长级别的图案。
3. 离子束刻蚀法：利用离子束对材料表面进行刻蚀，形成亚波长级别的图案。
三、亚波长光栅的特性1. 具有高分辨率和高传输效率。
2. 可以实现多通道分离。
3. 可以实现非球面透镜功能。
四、亚波长光栅在激光技术中的应用1. 激光全息术：利用亚波长级别的全息记录介质记录激光干涉图案，可以实现高分辨率的图像重建。
2. 激光光栅压缩：利用亚波长级别的光栅对激光进行压缩，可以实现超短脉冲激光的产生。
3. 激光波前调制：利用亚波长级别的光栅对激光进行波前调制，可以实现高质量的激光束成形。
五、亚波长光栅在微纳加工中的应用1. 纳米结构制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行刻蚀或沉积，可以制备出纳米级别的结构。
2. 微纳器件制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行加工，可以制备出微纳级别的器件，如微透镜阵列、微流控芯片等。
六、亚波长光栅在生物医学中的应用1. 免疫检测：利用亚波长级别的全息记录介质记录生物分子信息，可以实现高灵敏度和高特异性的生物分子检测。
2. 细胞成像：利用亚波长级别的全息记录介质记录细胞信息，可以实现高分辨率的细胞成像。
七、亚波长光栅的发展趋势1. 制备技术的进一步提高，实现更高精度和更大尺寸的亚波长级别光栅。
2. 应用领域的拓展，如在量子计算、光子芯片等领域中的应用。
3. 与其他技术的结合，如与人工智能、虚拟现实等技术结合，实现更多样化和智能化的应用。
八、结论亚波长光栅具有多种特性和应用场景，在激光技术、微纳加工和生物医学等领域中都有广泛应用。
未来随着制备技术和应用领域的不断发展，其应用前景将会更加广阔。
亚波长偏振光栅的研究进展
亚波长偏振光栅的研究进展ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＧｒａｔｉｎｇｓ赵华君１袁代蓉１吴正茂２１重庆文理学院物理与信息工程系，重庆４０２１６０２西南大学物理科学与技术学院，重庆４００７１!"５ＺｈａｏＨｕａｊｕｎ１ＹｕａｎＤａｉｒｏｎｇ１ＷｕＺｈｅｎｇｍａｏ２１ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０２１６０，Ｃｈｉｎａ２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５，Ｃｈｉｎａ#$$$$$$$%&’’’’’’’(１引言光栅作为一种常用的光学元件，在各类光学系统中起着重要作用。
光栅主要有色散、分束、偏振及相位匹配四个基本特性。
以前光栅的应用大都基于光栅的色散和分束特性，而对具有偏振特性的偏振光栅（ＰＧｓ）的研究相对较少。
近年来，人们逐步认识到光栅具有优良的偏振特性，并开展了大量的研究［１￣１５］。
理论和实验都表明，当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，利用光栅的偏振特性，可以制作各种偏光器件，如偏振光检测器、偏振分束器、相位延迟器、各种波片等［２￣７］。
光栅的周期小于入射光的波长称为亚波长光栅，亚波长光栅具有特殊的偏振衍射特性，可以实现偏振、分束、增透、高反、窄带滤波等功能［８￣１０］，基于光栅偏振特性的亚波长偏振光栅作为一种新型偏振光学元件［１１，１６］，通过对光波偏振态的周期性调制，产生一种偏振依赖的衍射场［１７］，可将单色平面波分裂成若干束具有不同偏振态的子光波。
亚波长偏振光栅除了能替代晶体作偏振光分束器外，还可以用作光开关、光互联器件，并且在偏振模色散（ＰＭＤ）的测量和补偿、偏振光的实时检测、偏振光数据处理、生物成像、偏振光相关的仪器设备等领域都有较多的应用［１７￣２４］。
亚波长金属光栅偏振器设计
亚波长金属光栅偏振器设计孟凡涛;褚金奎;韩志涛;赵开春【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2007(005)004【摘要】针对仿生微纳导航传感器敏感波段380～520 nm的要求,基于严格耦合波理论,设计了一种适用于蓝紫光波段的金属光栅偏振器,并应用等效介质理论直观地分析了金属光栅偏振器的工作原理.所设计的金属光栅偏振器与传统的金属光栅偏振器的不同之处在于:在基底和金属线栅之间增加了氟化镁薄膜,并且刻蚀一部分氟化镁薄膜.在垂直入射条件下,在整个可见光波段,金属光栅偏振器.TM透射效率大于61.5%,消光比大于370;数值计算和理论分析表明,所设计的金属光栅偏振器是一种宽带宽、高TM透射效率和高消光比的偏振器件.【总页数】4页(P269-272)【作者】孟凡涛;褚金奎;韩志涛;赵开春【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,大连,116024【正文语种】中文【中图分类】TN16【相关文献】1.LWIR亚波长铝/硒化锌光栅偏振器设计 [J], 黄战华;马小青;朱攀;张亚男;蔡怀宇;张尹馨2.基于严格耦合波理论的亚波长金属光栅偏振器设计 [J], 张娜;褚金奎;赵开春;孟凡涛3.基于严格耦合波理论的亚波长金属光栅偏振器设计 [J], 张娜;褚金奎;赵开春;孟凡涛4.亚波长金属光栅偏振器制备技术研究 [J], 杨江涛;王健安;王银;胡啸5.面形误差对亚波长金属光栅偏振器性能的影响 [J], 孟凡涛;褚金奎;韩志涛;郭庆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
亚波长金属光栅结构的制备与矢量衍射理论分析
亚波长金属光栅结构的制备与矢量衍射理论分析郑改革;詹煜;曹焜;徐林华【摘要】利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了周期为1μm、占空比为0.2的亚波长金属光栅,利用紫外-可见-近红外光谱仪测量了光栅的0级反射光谱.在严格耦合波分析的基础上,把光栅区域电磁场的空间谐波通过勒让德多项式展开,使用多项式展开的谱分析法求解常微分方程,计算了该亚波长金属光栅的反射光谱及磁场分布.实验测量结果同矢量衍射理论计算结果都显示,该光栅在近红外、中红外波段具有表面等离子体共振现象.数值计算结果还表明,对于此类亚波长金属光栅,当光栅的深宽比增加时,其反射光谱中会出现更多的反射谷.%We fabricated a subwavelength metallic grating using nanoimprint technology and measured the reflection spectrum using ultraviolet-visible-near-infrared spectrophotometer.Based on the theory of conventional rigorous coupled wave analysis,we used a new method to analyze the diffraction problems of subwavelength metallic gratings.We used fast Fourier factorization (FFF) method to derive the coupled wave equations,then each space harmonic can be expanded in terms of Legendre polynomials in grating ing this modified vector diffraction theory,we calculated the diffraction efficiency and the field distribution.All calculated results show great agreement with the experimental results.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2013(034)007【总页数】5页(P935-939)【关键词】亚波长金属光栅;纳米压印;表面等离子体【作者】郑改革;詹煜;曹焜;徐林华【作者单位】南京信息大学物理与光电工程学院,江苏南京210044;南京信息大学物理与光电工程学院,江苏南京210044;南京信息大学物理与光电工程学院,江苏南京210044;南京信息大学物理与光电工程学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】O4391 引言随着光栅电磁理论研究的不断深入和微加工技术的不断进步，研究人员逐渐发现亚波长金属光栅表现出了很多奇异的光学现象，比如介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体(Surface Plasmon)可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强[1-3]，亚波长金属光栅能够同时实现TE偏振(电矢量平行于光栅刻槽)的高反射和TM偏振(电矢量垂直于光栅刻槽)的高透射[3]等。
亚波长金属光栅的聚焦特性的应用分析
工程管理与技术现代商贸工业２０２０年第６期１８６㊀㊀基金项目:延安大学西安创新学院２０１７年校级科研项目(２０１７X J K Y－５).作者简介:王巧霞(１９７９－),女,汉族,陕西府谷人,硕士,讲师,研究方向:理论物理.亚波长金属光栅的聚焦特性的应用分析王巧霞㊀李娣娜㊀宋㊀蓓㊀温利平(延安大学西安创新学院,陕西西安７１０１００)摘㊀要:随着科技的快速发展,现代光学器件对微型化和集成化的需求不断提高.亚波长金属光栅是指光栅的周期小于入射波长,能够突破衍射极限,其具有体积小㊁结构紧凑㊁易集成等特点.介绍了光栅激发表面等离子体模式相关理论,分析了金属纳米狭缝光栅对光路进行有效调控从而实现光束的聚焦.在与光波相互作用中亚波长金属光栅结构呈现出许多新颖的效应,其中聚焦特性可应用于超分辨成像㊁生物传感㊁纳米激光器等领域.关键词:亚波长金属光栅;表面等离子体激元;衍射极限中图分类号:T B ㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀d o i :１０．１９３１１/j．c n k i ．１６７２Ｇ３１９８．２０２０．０６．０９２０㊀引言１９０２年,W o o d 在研究金属光栅的光谱实验中发现反射光谱存在缺级的异常现象,其实这是最早与表面等离子体激元(S u r f a c e p l a s m o n p o l a r i t o n s ,S P P s)有关的实验发现,但当时人们对其本质并不清楚.直到１９４１年,F a n o 等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了W o o d 的异常实验现象.１９５７年,R i t Ｇc h i e 在实验中发现电子在穿过金属薄膜时会发生能量吸收峰 现象,他通过计算解释了这种现象的成因,并第一次提出了 等离子体激元 这一概念.１９９８年,E b b e s e n 小组发现光在通过金属薄膜上二维亚波长孔径阵列时,光强远高于按照经典衍射理论所计算的结果,这种超透射现象是因为金属孔径阵列引起的表面等离子体激元增强效应.表面等离子体激元是由入射光子引起金属表面自由电子共振而产生沿金属表面传播的金属电子疏密波.它是存在于金属表面的一种非辐射局域电磁模式,其具有表面局域和近场增强的特性.随着纳米加工技术的日趋成熟,通过金属表面的结构来改变表面等离子体激元的特性,成为研制新型光子学器件的新途径.１㊀金属光栅耦合理论表面等离子体激元是金属－介质界面的传播的电磁波,其规律服从麦克斯韦方程组结合边界条件,可以解出TM 偏振光波下S P P s 在界面上的色散关系为k s p ＝k ０㊀ε１ε２ε１＋ε２(金属介电常数e １和介质介电常数e ２).研究表明:一方面只有用TM 波照射金属－介质界面时,S P P s 才能被激发;另一方面相同频率情况下,S P P s 的波矢量要大于自由空间中光子的波矢量,即在光滑的金属表面上不能用入射光直接照射的方式激发S P P s .所以S P P s 的激发需要特定的条件,其激发方式主要由棱镜耦合㊁光栅耦合以及近场激发等方式.光栅耦合利用光栅结构的衍射光引入一个额外的波矢量的增量k g 就可以实现入射光与SP P s 波矢量的匹配.如图１所示在金属薄膜表面部分区域写入衍射光栅,当入射电磁波到达光栅表面时,其动量水平分量发生改变,横向波矢量k x ＝k s i n θ＋k g ＝k s i n θ＋２n π/D (θ为入射角),当满足k x ＝k S P 条件时就会激发S P P s 波.总之,入射光波的衍射场进行傅里叶分解包含有各个大小的分量,那些大于真空中波矢量的成分多数都不能向前传播很快衰减;只有满足S P P s 波矢量条件的能激发S P P s 波而发生能量转换.图１㊀光栅衍射激发S P P s 示意图目前常用于S P P s 激发的光栅结构包括狭缝光栅㊁凹槽光栅㊁啁啾光栅㊁孔径阵列结构以及各种形状的颗粒阵列.２㊀金属纳米狭缝光栅聚焦调控传统光学透镜通过弯曲表面具有折射率对比产生光的折射从而实现光束整形,类似地由于金属光栅结构的材料与几何外形等参数都可以自由设定,因而对光路进行有效调控从而实现光束的聚焦.图２㊀(a )金属狭缝结构图;(b)光场强度分布入射光照到金属狭缝时,由于狭缝的宽度远小于入射波长,出射狭缝可以看作新的点波源,不同长度狭缝对光波的位相改变不同.在金属膜上刻有等间隔的纳米狭缝光栅,当缝长按照从中间向两边依次递减,使狭缝阵列端口形成内凹,如图２所示该金属结构光束聚焦明显.与介质透镜比较,金属纳米缝阵列没有因为光在弯曲表面折射和全反射而引起能量损耗,可看做纯相位元件.利用金属狭缝阵列负折射性质和相位调制实现波前塑形,还可以调控金属狭缝光栅的缝宽㊁缝深以及狭缝的间距等.３㊀S P P s 聚焦特性的应用３．１㊀超分辨成像传统光学成像始终受限于衍射极限,导致光学成像分辨率只有入射光波长的二分之一.因为携带高于现代商贸工业２０２０年第６期１８７㊀作者简介:孙延庆(１９７５－),男,湖南吉首人,工程师,从事部队疗养院营房管理及工程施工管理.衍射极限信息的波矢量大于光在自由空间的波矢量,使得这部分光只能以倏逝场的形式传播,无法将信息传递到像平面,导致物体精细结构成分的丢失.借助金属纳米光栅结构负折射性质可将倏逝场成指数增加,从而实现金属透镜的超分辨成像.利用S P P s 超分辨成像的光刻技术,使光子器件的尺寸达到亚波长级,可以与电子器件相匹配连成光电集成回路,光电集成在信息传输过程中具有速度快,容量大,损耗小等特点.３．２㊀生物传感在光纤纤芯内写入长周期光栅,将芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模,使高阶模与等离子体的相位实现匹配,可以把消逝波转换为传输波,从而把物体的亚波长信息传送到远场,实现超越衍射极限的放大成像.表面等离子体成像技术能直观㊁实时地监测分子相互作用的动力学过程,如D N A 杂交,蛋白质分子相互作用分析等.基于S P P s 的传感器具有灵敏度高,速度快,清晰度高等特点,在化工化学㊁生物医疗和环境检测等方面有巨大的应用价值.３．３㊀纳米激光器在半导体激光器的出射面上制作金属微纳光栅,电子空穴对(激子)被外界能量泵浦激发后,在激子能级跃迁的复合过程中,靠近金属表面的电子跃迁更多地耦合成表面等离子体激元,产生相干强没有辐射损耗的光子,可以直接对激光器发出的光束进行准直与整形,使光的发散度大大降低.由于该模式耦合成为S P P s 的自发辐射,没有向外界辐射光子,因此可以提供噪声很小的光学放大和较大的损耗补偿.４㊀结束语亚波长金属光栅结构可将光压缩为二维表面等离子波,近场区域的倏逝波汇聚而增强的特性和突破衍射极限的超聚焦技术,使得有关金属结构的表面等离子体的研究备受关注.如何利用S P P s 设计新型高效的纳米光子学器件和如何降低S P P s 波导传输损耗是未来需要深入研究的课题.随着纳米技术的蓬勃发展,S P P s 在高密度存储㊁新型光源和能源㊁亚波长光学等领域具有广阔的应用前景.参考文献[１]王伟．二维亚波长周期结构光子器件研究[D ]．南京:南京邮电大学,２０１３．[２]王雪飞,卢振武,王泰升,等．超表面上表面等离激元波的光栅衍射行为研究[J ]．中国光学,２０１８,１１(１):６０Ｇ７３．[３]史林兴,何建明,汤炳书．非周期三角光栅表面等离子体激元透镜研究[J ]．激光与红外,２０１１,４１(１１):１２３５Ｇ１２３９．[４]B a r n a r dD K ,B o z h e v o l n y i SI ．P l a s m o n i c sb e yo n d t h ed i f f r a c t i o n l i m i t [J ]．N a t u r e p h o t o n i c s ,２０１０,(４):８３Ｇ９１．[５]雷建国,刘天航,林景全,等．表面等离子体激元的若干新应用[J ]．中国光学与应用光学,２０１０,３(５):４３２Ｇ４３９．[６]陈泳屹,佟存柱,秦莉,等．表面等离子体激元纳米激光器技术及其应用研究进展[J ]．中国光学,２０１２,５(５):４５３Ｇ４６３．分散营区营房维修协同管理的可行性研究孙延庆(临潼康复疗养中心,陕西西安７１０６００)摘㊀要:我国军队体制的发展不断进步,军队内的编制改革逐渐深入,军队的营房发展越来越节约并逐渐形成了行业规范,并且向着专业化的方向发展.对部队内分散的营区和营房进行有效管理和维修是部队内营房发展的重点和难点,营房的规范化和有序化,对于基层部队的训练和日常生活有重要意义.对此,将主要分析在当前情况下逐步推行协同管理的重要性和当今的现状,并分析实施协同管理是否具有可行性.关键词:分散营区;营房维修;协同管理中图分类号:T B ㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀d o i :１０．１９３１１/j ．c n k i ．１６７２Ｇ３１９８．２０２０．０６．０９３㊀㊀建设好现代的营房是提高部队竞争力的有效保障之一.随着当今科学技术发展越来越壮大,我国部队管理也逐渐向信息化的方向发展,营区营房不再采用过去的谁住就是谁管的这种模式,加之分散开来的营区管理工作最主要的难点为营区的位点多㊁服务的线较长而且需要保障的范围大,如果继续沿用过去的模式,就会导致分散营区的管理松散和营房的使用度超过其本身的承受能力,进而还可能会导致营房维修的成本太高,从而无法帮助部队训练工作的高效进行.１㊀协同管理的提出我国对于营房和分散营区等方面的问题进行了多年的探索和研究,有人提出可以将部队的分散型营房中部分不涉及军队秘密的分营房维修的任务和部队管理分开,实行便于管理的物业管理模式;还有人提出集中后勤部门所有的人力资源㊁物力资源和财力资源,以提高营区营房的经济效益,保证维修管理.最终综合所有提议,提出了 协同管理模式 ,也就是在充分利用部队给营房维修提供的有限费用的同时利用营房所在当地的数字信息和资源,以及营房所处部队的专业优势,采用承包和竞争的方式,将部分营房的维修交由地方的承包商管理,这样既节省了成本㊁提高了营房维修的经济效益,还有助于部队后勤保障工作的有序进行,此种模式还实现了军队和民资的融合,为军队营房的建设提供了重要的支持力量.２㊀我国营区营房的管理现状２．１㊀规划管理无序我国随着世界前进的步伐迈入了新时代,部队也随之进入了建设的新时期,部队营区营房的管理和维。
亚波长金属光栅偏振器制备技术研究
亚波长金属光栅偏振器制备技术研究杨江涛，王健安，王 银，胡 啸（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）摘要：亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性，采用严格耦合波法设计并制作了一种柔性双层金属光栅偏振器，通过纳米压印技术在方形的PC（Polycarbonate，聚碳酸酯）上制备了周期为278nm，深度为110nm，占空比为0.5的亚波长光栅，通过磁控溅射技术在制作的介质光栅上沉积了70nm的金属铝层，制作了具有双层金属结构的柔性双层金属光栅偏振器，并用光谱测试系统进行了简单的性能测试。
实验结果表明，当入射光波长范围在350～800nm时，制作的柔性双层光栅偏振器偏振特性优良，且具有非常高的透过率和消光比，分别高达48%和100000。
该制作工艺只由纳米压印和金属蒸镀完成，省去了复杂的涂胶、剥离及刻蚀，因此在大批量生产偏振器方面具有很明显的优势，可普遍用于光探测器件、光电开光等半导体光电子器件的制作过程。
关键词：柔性；光栅偏振器；TM透射效率；消光比中图分类号：TH706 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2021)01-0008-05 Fabrication Technology of a Subwavelength Metal Grating PolarizerYANG Jiangtao，WANG Jianan，WANG Yin，HU Xiao(School of Electronics Information Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract: Sub-wavelength periodic grating has special characteristics that are lacking in traditional grating. In this study, a flexible double-layer metal grating polarizer is designed and fabricated using a strict coupled wave method. Through nanoimprinting technology, sub-wavelength grating with a period of 278nm, depth of 110nm, and duty cycle of 0.5 is prepared on a square polycarbonate (PC). A 70nm metal aluminum layer is deposited on the fabricated dielectric grating by magnetron sputtering, and a double-layer metal structure is fabricated. A flexible double-layer metal grating polarizer is developed, and the performance of the polarizer is tested using a spectrum measurement system. Experimental results showed that when the wavelength range of the incident light was 350-800nm, the flexible double-layer grating polarizer had good polarization characteristics. The polarized light transmission efficiency and extinction ratio were as high as high as 48% and 100000, respectively. The manufacturing process involves only nanoimprinting and metal evaporation processes and thus excludes coating, stripping, and etching of the imprint adhesive. Therefore, our method exhibits evident advantages in terms of low-cost and batch production of large-area polarizers and thus can be widely used in the manufacturing process of semiconductor optoelectronic devices such as optical-detection and optoelectronic devices.Key words: flexible, wire-grid polarizer, TM transmission efficiency, extinction ratio0引言由两条金属线通过溅射的方式形成了一组窄缝，这组窄缝的距离小于入射光的波长，这就形成了亚波长金属光栅偏振器，它的体积属于纳米级别，但其偏振性能却非常好且容易集成，因此它被广泛应用于光通讯及液晶显示屏的制造中。
亚波长金属_电介质双层光栅偏振片_廖艳林
第35卷第5期中 国 科 学 技 术 大 学 学 报Vo l.35,No.5 2005年10月JOURNAL OF UNIVERS ITY OF SCIENCE AND TE CHNOLO GY OF CHINA Oct.2005文章编号:0253-2778(2005)05-0650-06亚波长金属/电介质双层光栅偏振片*廖艳林1,韩正甫2,曹卓良1(1.安徽大学物理系,安徽合肥230039;2.中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室,安徽合肥230026)摘要:用严格耦合波分析亚波长金属光栅和高频电介质光栅的衍射性质,给出了亚波长金属/电介质双层光栅偏振片的设计,同时通过严格耦合波分析给出了这种偏振片的TM波的反射特性和反射偏振比.关键词:亚波长光栅;耦合波理论;双层光栅;偏振片中图分类号:O436.3 文献标识码:A0 引言在光学信息处理、光学测量、光通信等系统中,控制光的偏振状态十分重要.但是传统的偏振器件体积过大,无法满足光学系统的小型化和集成化的需要,更无法以集成电路工艺制作集成光学元件.近几年来,随着超大规模集成电路(VLS I)和计算机辅助设计(CAD)以及光刻技术的发展,衍射光学元件受到广泛的关注[1～3].其中,亚波长光栅(光栅周期小于入射光的波长)的研究[4～6]备受重视.天然材料的偏振效应[7]来源于微观结构的不对称性引起的双折射,亚波长各向同性光栅的偏振效应则来源于光栅结构的几何不对称性.由于两个正交的偏振光(垂直于光栅矢量的TE偏振和平行于光栅矢量的TM偏振)边界条件不同,故两个正交偏振光的等效折射率不同.根据此性质设计亚波长单层或多层光栅偏振器件已有报道[8～10],它们均有很好的偏振特性[11～14].由于反射式偏振片在集成光学和液晶显示领域的重要作用,本文设计的反射式偏振片偏振效果较文献[14]的理想,并指出了该器件实际制作时的误差容许范围,对实际器件的制作有一定的指导意义.对于正入射光,单层电介质或单层金属亚波长光栅很难同时得到高偏振比R TM/R TE (反射TM波能量与反射TE波能量的比值)和高反射率(反射TM波能量).本文讨论了亚波长电介质光栅和亚波长金属光栅反射性质,第一次给出金属/电介质双层光栅结构,并用严格耦合波理论分析该结构的衍射特性.理论计算表明,在优化的光栅参数下,可以同时获得高达7.3×103偏振比(R TM/R TE)和高达92%的TM波反射率.1 理论模型当特征尺寸接近或小于入射光波波长时,必须用矢量衍射理论来分析.本文运用严格耦*收稿日期:2004-01-14;修回日期:2004-07-14基金项目:国家自然科学基金(69876034).作者简介:廖艳林,男,1978年生,博士生/助教.E-mail:liaoyanlin169@合波理论[15]分析金属/电介质光栅的衍射特性.文中所讨论的金属/电介质光栅是如图1所示的矩形光栅.Λ是光栅周期,h 1是金属层图1 双层金属/电介质光栅结构Fig.1 Geome try o f the double -layermetal -dielectric g rating(区域2)厚度,h 2是电介质层(区域3)厚度.区域1(反射区域)和区域4(透射区域)电介质均匀分布.光栅区域2和光栅区域3都包含了两种介质的周期分布,其介电常数为一周期函数,故可将介电常数用傅立叶级数展开εl (x ,z )=∑hεl ,h (z )ex p [j (2πh /Λ)]l =2,3(1)其中,εl ,h 分别为光栅区域2和区域3的介电常数第h 级傅立叶系数,是光栅深度的函数.对于TE 偏振光(电场矢量方向垂直光栅矢量方向),入射平面波波长为λ0,在各区域的电场分别为:E 1=exp {-jk 0n 1[sin (θ)x +co s (θ)z ]}+∑iR i (z )ex p [-j (k xi x -k 1,zi z )](2)E l =∑i Si ,l(z )e xp (-j (k x ,i x )), l =2,3(3)E 4=∑iT i(z )exp [-j (k xi x -k 2,zi (z -h 2)](4)式中,k 0=2π/λ0,k xi =k 0[n 1sin θ-i (λ0/Λ)],R i ,T i 分别为各级反射波与透射波的复振幅.k l ,zi =(k 20n 2l -k 2xi )2,l =1,2(5)将式(1)和(3)代入波动方程2E l +k 20εl (x ,z )E l =0(6)经过一定的变换得到一个S ′=AS 的矩阵方程,其中A 为一无穷维的系数矩阵,区域2和区域3中的电场E 2和E 3可以通过解矩阵A 的本征值和本征向量而求得.其中的未知量则由相邻区域之间的边界条件确定.衍射效率定义为衍射光和入射光的强度之比,由下式确定DE ri =R i R *i Re k 1,zik 0n 1cos θ,(7)DE ti =T i T *i Rek 2,zik 0n 1co s θ,(8)式中,Re 代表取实部,“*”表示取复共轭,DE ri 为第i 级反射波的衍射效率,DE ti 为第i 级透射波的衍射效率.2 计算结果和讨论2.1 单层电介质和金属光栅的反射特性亚波长电介质和金属光栅反射特性已有大量的研究.本文讨论的光栅结构如图2,入射波长取λ0=653nm ,光栅周期Λ=0.2*λ0,占空比F =0.4,入射角θ=0.图中1为入射区域,3为透射区域.由于光栅周期为波长的1/5倍,可以使用严格耦合波理论计算电介质651第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片和金属光栅的TE 波和TM 波的反射特性,并假定TE 波和TM 波的入射能量均为1.图2 单层光栅结构Fig.2 G eometry of sing le layer g r ating 图3(a )中给出了金属光栅(材料为金)TE 波和TM 波随光栅高度h 变化的反射特性曲线.可以发现,随着光栅高度的增加,T E 波反射率很高(>90%),且变化不大,而TM 波反射率在95%和55%之间有一定的振荡.偏振度(R TM /R TE )小于1.图3(b )则是电介质光栅(材料SiO 2)随着光栅高度变化的反射特性曲线.二者的反射率都很小.最大偏振比(R TM /R TE )可以达到100,但TM 波的反射率R TM 较小.(a )单层金属光栅(b )单层电介质光栅图3 反射能量与光栅深度关系Fig.3 Reflected po wer a t no rmal incidence a s a function of r atio o f g roo ve depth to incidentw aveleng th for (a )sing le layer me ta llic gr ating and (b )sing le lay er dielect ric g rating图4 反射能量与高度h 1、h 2的关系Fig.4 Reflected powe r at nor mal incidence as a functio n o f ratio of h 1and h 2to incident w aveleng th分析表明,在正入射情况下,单层电介质和单层金属亚波长光栅很难同时得到很高偏振比R TM /R TE 和TM 反射率.这种情况下不适合偏振器件的要求.2.2 金属/电介质双层光栅反射特性金属/电介质双层光栅结构如图1所示,本文讨论的金属选择金,电介质选择二氧化硅.同样考虑入射波长λ0=653nm ,光栅周期Λ=0.2*λ0,占空比F =0.4,光栅周期为波长的1/5,入射角θ=0情况下的光栅反射特性.图4给出了随光栅金属层高度h 1和电介质层高度h 2变化,双层光栅的TE 波反射特性.从图4中可以看出,当金层高度小于0.5倍的波长时,随着二氧化硅层高度的增加,金/二氧化硅双层光栅有明显652中国科学技术大学学报第35卷的周期性.二氧化硅的高度每增加约0.42倍的波长时有一个倒立的峰,峰位处的反射率很低,其中,第一个峰的反射率为1.26×10-2.数值计算表明,金层高度h 1为0.139倍波长,二氧化硅层高度h 2为0.275倍波长时,TE 波的反射率为0.01261%,而TM 反射率为92.5%,偏振比(R TM /R TE )达到7.34×103,偏振效果相当好.更因为这种结构的器件具备体积可以很小、垂直入射等优点,因此可以作为一种可集成的偏振器件,在反射式液晶显示器方面具有很高的实用价值.在计算中,我们采用了足够大的衍射级次(TE 波、TM 波在计算过程中是收敛的)以保证结论的可靠性.3 光栅刻蚀精度要求在实际光栅刻蚀中,总会存在一些误差,不能精确达到理论设计的需要.这将对器件的性能造成很大影响.可能的刻蚀误差有:光栅占空比的刻蚀误差;光栅深度的刻蚀误差.首先讨论光栅占空比误差,在其他条件不变的条件下,占空比从0.35到0.45连续变化对偏振比和反射率的影响,图5(a )是占空比与反射率的关系,可见占空比误差从-2.5%到1.3%,TE 波的反射率变化范围达1.31×103,TM 波的反射率最小值为79%,最大值为93%.图5(b )表示了占空比误差对偏振比的影响.占空比误差在-2.5%到1.3%,金/二氧化硅双层亚波长光栅的偏振比仍可大于1000.另一常见的误差是刻蚀深度的误差.刻蚀深度误差分为刻蚀不足和过度刻蚀.刻蚀不足是二氧化硅层没有被完全刻蚀,在金的衬底上有一层二氧化硅.图6(a )中表明刻蚀不足对TE 波和TM 波的反射率的影响,其中h 是在金衬底上二氧化硅的厚度.数值计算表明TM 波反射率受影响很小,几乎维持在90.6%不变,T E 波反射率变化范围为2.204×10-3%到12.8%.图7表明刻蚀不足,约在2.73%以内时,金/二氧化硅双层亚波长光栅偏振比仍大于1000.过度刻蚀是金衬底被刻蚀掉一部分.图6(b )中表明金衬底上被过度刻蚀对TE 波和TM 波反射率的影响,其中h 是在金衬底上被过度刻蚀的高度.数据表明TM 波的反射率变化是随金衬底被刻蚀的误差的增大逐渐减小.反射率在90.5%到85.0%之间.TE 波的反射率的随着过度刻蚀的深度增大显著增加.图7显示随着过度刻蚀误差的增加,金/二氧化硅双层亚波长光栅的偏振比单调减小.(a )反射率(b )偏振比的影响图5 占空比刻蚀误差对Fig.5 Effects of filling facto r er ro r on (a )reflectivity and (b )ex tinc tion ratios653第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片从上述分析可知,过度刻蚀对金/二氧化硅亚波长双层光栅偏振性能的影响非常大,而对光栅的占空比误差和刻蚀不足不是很敏感.所以,为了减小刻蚀误差对金/二氧化硅亚波长光栅偏振片的偏振性能的影响,应该避免过度刻蚀.(a)(b)图6 (a)刻蚀不足与(b)过度刻蚀对反射能量的影响Fig.6 (a)Effects of underetching and(b)o veretching fabrication er ro r onreflectivity图7 过度刻蚀与刻蚀不足对偏振比的影响Fig.7 Effects of undere tching and ove retchingfabrica tion err or o n e xtinctio n ratio s4 结论本文讨论了单层电介质(二氧化硅)和单层金属(金)亚波长光栅的反射性质.给出了金属(金)/电介质(二氧化硅)亚波长双层光栅结构,并用严格耦合波方法优化双层光栅的金/二氧化硅层的高度,可获得偏振比R TM/R TE高达7.34×103的偏振片,其中,TM波的反射率高达90%以上.考虑到这种光栅实际刻蚀时必然存在的误差,讨论了这种光栅结构对刻蚀误差的容忍程度.这种金属/电介质光栅偏振片的结构小巧,零度入射可达到很高的偏振比和高反射率,其在液晶显示和集成光学领域具有很高的价值.参 考 文 献[1] M ane-Si L L,Philippe L,Pie rre C.Blazed-binary diff ractive elements w ith periods muchlarge r than the w avele ng th[J].J.O pt Soc,A m.A,2000,17(7):1250-1255.[2] Jani T,Ville K,M arko H,et al.De sign ofspace-v ariant diffractive po larization elements[J].J.O pt Soc,A m.A,2003,20(2):282-289.[3] Vincent L.G ene ral solution of the coupled-wav e equatio ns of aco usto-optics[J].J.Opt Soc,Am.A,2003,20(12):2307-2314.[4] 伊德尔,严瑛白,谭崤峰,等.亚波长光栅用654中国科学技术大学学报第35卷于实现宽光谱消色散1/4波片的研究[J ].中国激光,2003,30(5):405-408.[5] 袁惠,周进,王晓伟,等.一维深亚波长光栅的耦合波分析及偏振特性的研究[J ].中国激光,2002,29(9):795-800.[6] Dustin W C ,Sulliv an J P ,F riedmann T A.L aterally defo rmable nano mechanical zero th -o rde r g rating s :ano malo us diffrac tion studied by rig oro us coupled -wave 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grating used as po larizer is presented.At the same tim e ,reflec -tivity properties fo r the TM po larization and the reflection po larization ratio of the polariz -er are attained with RCWA.Key words :subw aveleng th grating ;coupled -w ave analy sis ;do uble -layer grating ;polarizer655第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片。
亚波长径向偏振光栅的设计
亚波长径向偏振光栅的设计谭巧;徐启峰;谢楠【摘要】针对现有电力光学电流传感中法拉第旋转角的非线性测量、解调模式的光强依赖性等问题,本文设计了一种环型亚波长偏振光栅,其光栅矢量径向分布,可将偏振光的偏振分布转化为光斑强度分布并与偏振面同步旋转.应用琼斯矩阵对其偏振特性进行分析,运用严格耦合波理论对光栅进行仿真分析与优化设计,并制备了辐射状的环型铝金属光栅.测试结果表明,光栅TM光的透过率大于80%、整体消光比大于100,可实现对光偏振态的直接检测,并具有线性测量范围大、测量结果不依赖于光的绝对强度等优点,可用于基于图像分析的偏振检测技术.%A new type of radially polarized grating is designed to solve the problems of nonlinear measurement of Faraday rotation existing in the power optical sensing. The distribution of the grating vector is in accordance with the special method, so that the polarization distribution of the polarized light can be transformed into the distribution of light intensity, which rotates synchronously with polarization plane. The theory of polarization detection is analyzed by using Jones matrix, and the parameters of the grating are simulated by rigorous coupled wave theory. Finally, the grating is fabricated and tested. The results show that the TM transmittance of the grating is greater than 80%, the extinction ratio is greater than 100, and the detection of the polarization state can be realized. It has the advantages of large linear measurement range and measurement results independent on the absolute intensity, so that it will be a new detection technology of polarization based on the image method.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2017(044)003【总页数】6页(P345-350)【关键词】光栅;亚波长金属光栅;径向偏振光;偏振检测【作者】谭巧;徐启峰;谢楠【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;福建信息职业技术学院电子工程系,福州 350012;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108【正文语种】中文【中图分类】TN253偏振器件既可以作为起偏器产生偏振光，也可以作为检偏器检测光的偏振状态，是偏振光技术中不可或缺的重要器件。
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亚波长金属偏振光栅设计与分析康宁;唐军;李大林;陈萌;杨江涛;郭浩;刘俊【摘要】In order to resolve atmospheric optics polarization pattern for accurate navigation,a sub-wavelength metallic polarizer is designed based on rigorous coupled-wave analysis( RCWA),which is suitable for structure of compound eye. Aiming at single and bi-layer metallic grating with different period,duty cycle and metal layer thickness are simultated and analyzed,actual technological level and cost into consideration,bi-layer metallic grating with period of 200 nm,duty cycle of 0. 5 and metal layer thickness of 100 nm is chosen for polarizer of compound eye,TM polarized light transmittance of blue light in central band 450 nm of the designed bi-layer metallic grating achieve 45 %,and the extinction ratio achieve 450,satisfy requirements for polarization navigation.%为解算大气偏振态来实现精确导航，基于严格耦合波分析，设计了适用于复眼结构的亚波长金属偏振器。
针对不同周期、占空比和金属层厚度的单层、双层金属光栅进行了仿真分析，结合实际工艺水平和加工成本，最后选定周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度100 nm的双层金属光栅作为复眼结构的检偏器，设计的双层金属光栅在中心波段450 nm的蓝光（400～500 nm）TM偏振光透射率为45%，消光比达到450，达到用于偏振导航的要求。
【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P79-81,84)【关键词】亚波长金属光栅;严格耦合波分析;周期;占空比;金属厚度【作者】康宁;唐军;李大林;陈萌;杨江涛;郭浩;刘俊【作者单位】中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN16太阳光在传输过程中因大气的散射作用而产生偏振光,并形成的特定的偏振态分布[1]。
这种大气偏振模式以太阳子午线为中心线对称线分布，包含了丰富的方位信息。
许多生物就能感知到大气偏振光分布的模式，并以此来精确导航定位[2,3]。
基于偏振光在导航中的广泛应用前景，国内外纷纷对光学偏振传感器展开了研究。
Lambrinos D[4]用偏振器件模仿生物复眼测量光的偏振,并且在移动机器人上构建的偏振罗盘获得了成功应用。
Ikeda S[5]等人通过电子束刻蚀在两玻璃基底上分别制作了金属偏振光栅，粘合2片玻璃基底后与光电二极管一起封装制作了微型化的偏振光探测器。
大连理工大学褚金奎教授[6]制作了可用于偏振导航的集成偏振光探测器，测量角度误差小于±0.1°。
为了检测天顶各方向的偏振信息，就需要设计多个子眼组成的复眼[7]结构，每个子眼就相当于一个偏振光探测器。
要实现对大气偏振光的精确的检测，设计性能优越的偏振器是其中关键。
由于传统的偏振片体积过大不易于集成,而通过电子束光刻、干法刻蚀、纳米压印等MEMS工艺加工可得到具备亚波长结构的金属偏振光栅具备体积小、利于集成和偏振性能好等优点，是作为子眼结构检偏器的理想选择。
本文以单层、双层金属光栅结构为基础，针对于中心波段为450 nm的蓝光(400～500 nm)。
分析了不同周期、占空比、金属层厚度的金属偏振光栅在可见光波段的偏振特性，发现在周期200 nm左右时，单层金属光栅的TM偏振光的透射率要比双层金属光栅要稍大，但是较双层金属光栅的消光比却小了近1个数量级。
通过对调节不同的参数，最终设计了周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度为100 nm的双层金属光栅作为偏振器。
如图1所示，将入射光分为TM偏振光(电场方向与栅线垂直)与TE偏振光(电场方向与栅线平行)，由于入射光的波长要小于光栅周期，TM偏振光入射时，沿栅线方向的电子振荡受阻，这时光栅层对TM偏振光就如同介质层，TM偏振光可透射过去。
而TE偏振光入射时，在栅条方向会激起电子自由振荡，这时TE偏振光就会光栅层反射[8]。
光栅的周期与入射光波长之间的关系决定了光栅的衍射特性。
光栅具有偏振性能说明只有零级衍射。
亚波长光栅的光栅周期与入射光的波长的比值达到某一阈值时就能满足零级衍射的条件[9]Λ(nsin θm+nisin θi)=mλ.其中，n为光栅基底折射率，m为衍射级次，θm为对应的衍射角，ni空气折射率，θi为入射角。
因为只有零级衍射，所以,m=1，θm=π/2，那么,入射角为0时，基底的折射率设定为1.5，λ=450 nm时，周期临界值Λ为300 nm,即要设计的金属偏振光栅的临界周期为300 nm。
常见的金属偏振光栅有的单层、双层金属光栅。
如图2所示，单层和双层金属光栅的加工流程和结构有明显的区别，单层金属光栅就是基底上排列间距小于入射光波长的金属线条，双层金属光栅是在亚波长介质光栅的槽底和顶部形成具有2层金属线条的结构。
为了分析两者作为仿生复眼光学偏振器的偏振特性，利用严格耦合波分析(RCWA)针对不同的周期、占空比、和金属层厚度的光栅进行了分析。
2.1 不同光栅周期的金属光栅根据式(1)的分析，要得到可以在450 nm波段实现零级衍射，光栅周期必须小于300 nm，而实际上设计的金属偏振器需要更小的周期结构才能在这个波段实现良好的偏振效果。
结合实际工艺水平，将单层和双层金属光栅的金属层的厚度设定为100 nm，双层金属光栅的介质光栅的深度定为200 nm，占空比为0.5，而两种光栅的周期的变化范围都是180～220 nm。
仿真结果如图3所示。
可以看出:周期的变化对两种光栅在450 nm波段处的TM偏振光的透光率影响不大。
另外，同周期的单层金属光栅的TM偏振光的透光率比双层金属光栅的大了近30 %，但是双层金属光栅的消光比单层的大了近1个数量级。
而且，越大光栅周期对应着的消光比越小，光栅周期为180 nm双层金属光栅消光比达到了1 800。
考虑到在实际加工中，越小的结构加工难度更大、成本更高。
而且作为复眼结构的检偏器件，需要制备大量的这种金属偏振片。
所以,周期200 nm的金属光栅是一个较合适的选择，后面的分析中，将周期都定为200 nm。
2.2 不同占空比的金属光栅占空比也是影响光栅偏振性能的一项关键参数，这里分析的占空比的变化范围是0.3～0.7，对于单层光栅和双层光栅金属层的厚度都设定为100 nm，周期都是200 nm，双层金属光栅的介质光栅的深度定为200 nm。
仿真结果如图4所示，对于单层金属光栅，虽然小的占空比可以得到更大的TM偏振光透射率，但是消光比却很小，两者的变化趋势相反。
在占空比为0.5时，单层金属光栅在450 nm处透射率达到0.6，消光比只有73;而占空比为0.5时双层金属光栅在450 nm波段处有最大的透射率，并在波长为500 nm的消光比达到了2700,比同占空比的单层金属光栅大了27倍。
可以看出，占空比0.5是最优选择。
2.3 不同金属厚度的金属光栅金属层的厚度直接关系到金属偏振光栅的偏振性能。
根据前面的分析结果对不同金属厚度的光栅结构进行了分析。
考虑到实际情况，对于单层金属光栅，由于刻蚀金属层的工艺难度较大，仿真中设置单层金属光栅的金属层的厚度变化范围为0～120 nm。
而双层金属光栅的金属层是直接沉积在介质光栅上，不需要额外的刻蚀工艺，所以,设置的金属层的厚度变化范围为60～140 nm。
两种结构的周期都为200 nm，占空比设置为0.5。
因为Al质的金属光栅在可见光波段可以实现最优的偏振特性，所以,这里选用Al作为金属层材料。
仿真结果如图5所示。
对于单层金属光栅，在入射光波长小于 550 nm之前,TM偏振光的透射率随着金属的变厚而变大，之后,则变小，越厚的金属层对应越大的消光比。
双层金属光栅的TM偏振光透射率峰值随着金属层的厚度增大发生了红移，当金属层厚度在100 nm时，在450 nm波段得到了最大的透射率。
通过前面的分析，并考虑到单层和双层金属的加工复杂程度，周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度100 nm的亚波长双层金属光栅是作为复眼结构偏振器的最佳选择。
如图6所示，设计的双层金属光栅在450 nm波段处的TM 偏振光透射率为45 %，消光比达到了450。
本文基于严格耦合波理论，分析了不同周期、占空比和金属层厚度的单层和双层的金属光栅的偏振特性。
分析发现，双层金属光栅的TM偏振光透射率虽然不如单层金属光栅，但消光比却比单层金属光栅优越。
考虑到加工单层金属工艺更加复杂，不适合大量制备，所以，双层金属光栅更适合复眼结构的检偏器。
设计的双层金属光栅在450 nm波长处TM偏振光透射率为45 %，消光比达到450。
结合现有的电子束光刻、刻蚀、纳米压印的等技术这种性能优越的双层金属光栅可广泛应用于光电通信、液晶显示等领域。
康宁(1989-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向为微纳传感与执行器件。
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