一种偏振滤光元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种偏振滤光元件，包括基底，所述基底上依次设有介质膜层和金属线栅；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。本发明专利技术还公开了该偏振滤光元件的制备方法。本发明专利技术的偏振滤光元件整体结构紧凑、制备过程简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明专利技术的偏振滤光元件有望在显示等领域广泛应用。

Polarization filter element and preparation method thereof

The invention discloses a polarization filter element, including a substrate on which a dielectric film layer and a metal wire grating are successively arranged; the dielectric film layer is alternately arranged by a high and low refractive index material layer; and the material of the high refractive index material layer is selected from titanium dioxide, hafnium dioxide, tantalum pentoxide, silicon nitride and sulfide. Zinc; The material of the low refractive index material layer is selected from silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium fluoride or other fluoride; the thickness of each layer in the dielectric film layer is 10-220 nm; the material of the metal wire grid is selected from gold, silver, aluminum, copper or its alloy. The invention also discloses a preparation method of the polarization filter element. The polarization filter element of the invention has compact overall structure, simple preparation process, low cost, and is convenient for large-scale and batch production. Therefore, the polarization filter element of the invention is expected to be widely applied in display and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种偏振滤光元件及其制备方法
本专利技术涉及光学元件领域，尤其涉及一种偏振滤光元件及其制备方法。
技术介绍
偏振器是一种可以使自然光变成偏振光的光学元件，在光学信息处理、光学测量、光通信等系统中也发挥着十分重要的作用。传统的偏振器主要有：多层薄膜型偏振器、二向色性偏振器和双折射晶体偏振器等。但是传统的偏振器体积较大，难以集成，随着纳米加工技术的发展与完善，基于纳米结构的新型偏振器得到了进一步发展。其中亚波长线栅是一种能通过调节处于纳米尺度的亚波长光栅结构实现对光的反射、透射、光谱、偏振等光场特性调控的新型偏振器，其具有体积小、可集成化、设计灵活、对偏振光敏感等特点，在生产生活中得到了广泛的应用。颜色滤光片是一种在可见光波段内选择性地反射或者透射特定波长而呈现不同颜色的常用光学元件，其红绿蓝三基色的颜色滤光片在液晶显示、光通讯、传感探测和成像等领域有着广泛应用。传统颜色滤光片按工作方式可以分为吸收型颜色滤光片和干涉型颜色滤光片。吸收型颜色滤光片是利用材料分子对入射光选择性地吸收波长范围从而达到特定的滤光效果，常用的包括有化学染料式颜色滤光片和有色玻璃(通过金属离子吸收)等。虽然吸收型颜色滤光片的制作成本较低，但其通带较宽，滤光效果不及光学滤光片，而且该化学颜色滤光片的制造过程对环境污染严重，不能承受长时间的强光照射，光能损耗较大。因此，作为化学染料滤光片的替代，干涉型颜色滤光片利用多光束干涉效应对入射光谱进行调制从而实现滤光效果，常用的干涉型颜色滤光片是高低折射率介质膜堆构成的全介质滤光片。显示系统中，一般都包含三原色滤光片和偏振片，滤光片和偏振片两者缺一不可，以实现最终的显示效果。目前，还没有将偏振和滤光合二为一的光学元件。
技术实现思路
本专利技术提供了一种偏振滤光元件，该光学元件将偏振、滤光合二为一，结构简单，性能稳定。本专利技术提供了如下技术方案：一种偏振滤光元件，包括基底，所述基底上依次设有介质膜层和金属线栅；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。常用的偏振元件将两种不同偏振态的光进行分离，从而实现偏振分束的效果，与颜色滤波特性无关；而滤光元件则能实现特定波段的吸收或反射从而得到特定的颜色，一般用于较小入射角度情况，因而不影响光的偏振特性，而本专利技术的偏振滤光元件的设计原理完全不同于此。本专利技术的偏振滤光元件的设计原理是利用金属线栅实现p-偏振光透射，再利用介质膜层和金属线栅的共同滤波作用，选择性地透射红、绿、蓝(或青、品、黄)特定颜色对应的光谱波段，实现颜色滤波，从而将偏振、滤光合二为一。所述的基底的材料选自ZF6玻璃、K9玻璃、紫外熔融石英、硒化锌和ZF52；进一步优选的，所述的基底的材料为K9玻璃。金属偏振线栅的偏振选择特性源于线栅结构的几何不对称性。对不同的s-偏振光和p-偏振光，边界条件不同，等效折射率也不同。对于s-偏振的入射光，其电场振动沿线栅条方向。在该方向上，电场驱动导电电子在线栅方向移动，电子与金属晶格中的原子碰撞，减弱了s-偏振信号的强度，移动的电子分别在前方和后方辐射电磁波，前方的辐射减弱了透射的强度，后方辐射以反射的形式辐射；对于p-偏振的入射光，其电场振动垂直于线栅条方向，由于金属线条的宽度是亚波长量级(只有波长的1/3、1/4甚至更小)，该方向电子的定向运动严重受限，降低了辐射和衰减，p-偏振光几乎全部透过。金属线栅的结构尺寸(如线栅高度、宽度和线栅周期等)会对整个光学元件的滤光波段有一定的影响。对矩形的亚波长金属线栅，根据等效介质理论，p-偏振光和s-偏振光的等效折射率分别为：其中，np、ns分别为p-偏振光、s-偏振光入射时金属线栅的等效折射率，ng为空气折射率，nr是金属折射率，f为金属线栅的占空比(金属线栅的宽度与线栅间隔的比值)。作为优选，所述的金属线栅的结构尺寸为：高度小于或等于200nm，宽度大于或等于30nm，线栅间隔小于或等于100nm。为了便于加工，进一步优选的，所述的金属线栅的结构尺寸为：高度为80～120nm，宽度为40～60nm，线栅间隔为40～80nm。对于介质膜层-金属线栅复合结构，利用等效介质理论，可将金属线栅等效成一层薄膜，由于偏振态的不同，其等效折射率不同。对于选定的透射光谱波段，根据如下公式设计介质膜层中各膜层的厚度：其中，M(z)为介质膜层的薄膜传输矩阵，δj为第j层薄膜的相位厚度，有δj＝2πnjdjcosθj/λ，nj为第j层薄膜材料的折射率，dj为第j层薄膜膜厚，θj为第j层薄膜折射角，λ为入射光真空波长；对p-偏振光，ηj＝nj/coθj，对s-偏振光，ηj＝njcoθj。根据金属线栅的结构尺寸，针对入射光为p-偏振光，将金属线栅等效成一定膜厚的折射率为np的单层膜；针对入射光为s-偏振光，将金属线栅等效成一定膜厚的折射率为ns的单层膜，通过对介质膜层中各层薄膜膜厚的控制，从而使得p-偏振光实现红、绿、蓝(RGB)光谱或者青、品、黄(CMY)光谱的选择性透射，或者其他特定颜色以及光谱的透射；而s-偏振光经过介质膜层-金属线栅复合结构后基本不透射。高低折射率材料的折射率差值会影响可见波段截止带宽，折射率差值越大，截止带宽越宽。作为优选，所述的高折射率材料层的材料为二氧化钛；所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅。作为优选，所述的介质膜层中，高、低折射率材料层的总数为5～50。介质膜层中，层数越多，元件的滤光效果越好，但是层数过多增加了元件的制备难度和成本，进一步优选的，所述的介质膜层中，高、低折射率材料层的总数为5～15。本专利技术还提供了另一种偏振滤光元件，包括基底，所述基底上依次设有金属层、介质膜层和金属线栅；所述金属层的材料选自金、银、铝、铜或其合金；金属层的厚度为6～40nm；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。在基底与介质膜层之间添加金属层的偏振滤光元件只能实现对红、绿、蓝光谱的偏振滤光。作为优选，所述的金属层的厚度为15～30nm。作为优选，对于选择性地透射红、绿、蓝光谱的偏振滤光元件，所述的介质膜层中，底层为高折射率材料层；对于选择性地透射青、品、黄光谱的偏振滤光元件，所述的介质膜层中，底层为低折射率材料层。介质膜层的底层为与基底或金属膜相接触的膜层。一种优选的技术方案为：一种偏振滤光元件，包括基底，所述基底上依次设有介质膜层和金属线栅；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料为二氧化钛；所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅；高、低折射率材料层的总数为9；介质膜层的底层为高折射率材料层；由基底至金属线栅，介质膜层中各层的厚度依次为46～49nm、82～85nm、46～49nm、82～85nm、46～4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振滤光元件，包括基底，其特征在于，所述基底上依次设有介质膜层和金属线栅；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。

【技术特征摘要】
1.一种偏振滤光元件，包括基底，其特征在于，所述基底上依次设有介质膜层和金属线栅；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。2.一种偏振滤光元件，包括基底，其特征在于，所述基底上依次设有金属层、介质膜层和金属线栅；所述金属层的材料选自金、银、铝、铜或其合金；金属层的厚度为6～40nm；所述介质膜层由高、低折射率材料层交替设置而成；所述的高折射率材料层的材料选自二氧化钛、二氧化铪，五氧化二钽、氮化硅、硫化锌；所述的低折射率材料层的材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁或其他氟化物；介质膜层中，各层厚度为10～220nm；所述的金属线栅的材料选自金、银、铝、铜或其合金。3.根据权利要求1或2所述的偏振滤光元件，其特征在于，所述的基底的材料选自ZF6玻璃、K9玻璃、紫外熔融石英、硒化锌和ZF52。4.根据权利要求1或2所述的偏振滤光元件，其特征在于，所述的金属线栅的结构尺寸为：高度小于或等于200nm，宽度大于或等于30nm，线栅间隔小于或等于100nm。5.根据权利要求1或2所述的偏振滤光元件，其特征在于，对于选定的透射光谱波段，根据如下公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟东，郑晓雯，杨陈楹，沐雯，袁华新，王震，袁文佳，章岳光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33