一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器制造技术

本公开公开了一种金属‑介质‑金属三层线栅结构的红外偏振器，从下至上分别由透明基底，金属线栅层、介质线栅层和金属线栅层构成。基底为中波红外波段透明材料蓝宝石，介质线栅层折射率在1.3‑4.0之间，金属线栅和介质线栅的周期和占空比完全相同，周期在300‑600nm之间，占空比在0.4‑0.7之间。在中波红外波段，当入射光与金属‑介质‑金属三层线栅结构偏振器的阻抗相匹配时，入射光与线栅耦合激发磁局域共振，TM波透过率出现峰值，同时TE波的透射率明显的降低，线栅的消光比上升，偏振特性得到提高。亚波长金属线栅偏振器具有设计灵活、结构紧凑、易于集成、较宽的光谱和视场范围等优点，在微纳器件、集成光学等方面具有很大的应用前景。

An infrared polarizer with metal dielectric metal three layer grid structure

The invention discloses an infrared polarizer with a metal medium metal three-layer wire grid structure, which is composed of a transparent substrate, a metal wire grid layer, a dielectric wire grid layer and a metal wire grid layer from the bottom to the top. The substrate is sapphire, which is a transparent material in the middle wave infrared band. The refractive index of the dielectric barrier layer is between 1.3 \u2011 4.0. The period and duty cycle of the metal barrier and the dielectric barrier are exactly the same. The period is between 300 \u2011 600nm and the duty cycle is between 0.4 \u2011 0.7. In the middle wave infrared band, when the impedance of the incident light and the metal dielectric metal three-layer grid structure polarizer match, the incident light and the grid couple to excite the magnetic local resonance, and the TM wave transmissivity appears the peak value. At the same time, the TE wave transmissivity obviously reduces, the extinction ratio of the grid rises, and the polarization characteristics are improved. With the advantages of flexible design, compact structure, easy integration, wide spectrum and field of view, subwavelength metal grid polarizers have great application prospects in micro nano devices and integrated optics.

【技术实现步骤摘要】
一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器
本公开涉及一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。金属线栅偏振器属于亚波长二元光学元件，其偏振性能是由于金属线栅偏振器结构的不对称性引起的。对于金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，在金属层与介质层之间存在磁局域共振效应，强大的磁场能量被局域在该区域，从而使该结构的透射特性发生改变，通过改变金属-介质-金属线栅的结构参数可达到对结构透射光谱的调控。目前利用磁局域共振效应来实现对偏振的调控还有很大的研究空间，设计和制备宽光谱、可调控的、高TM波透射率和高消光比的线栅偏振器一直是人们的追求目标。2009年，ShanWu等模拟并验证了金属-介质多层膜结构中的电磁共振效应对该结构的透过率起到了促进作用，而且通过改变多层膜的结构参数可实现对连续波形的调控。见HanWu,GuodongWang,QianjinWang.etal.Novelopticaltransmissionpropertyofmetal–dielectricmultilayeredstructure.2009,JournalofPhysicsD:AppliedPhysics.42,225406,1-5。2010年，周林等研究了金属-介质多层线栅结构中存在的超透射效应，并分析了磁局域共振效应和表面等离子超透射效应对该微纳结构透射特性的影响规律。见LinZhou,Cheng-pingHuang,ShanWu,etal.Enhancedopticaltransmissionthroughmetal-dielectricmultilayergratings.2010,AppliedPhysicsLetters.97,011905-1—011905-3。2014年，XuanYimin等采用严格耦合波法和LC电路法分析了在太赫兹波段，Ag-SiO2-Ag(MIM)结构中存在的表面等离子效应和磁共振效应的物理机制。见YinminXuan,YutaoZhang.Investigationonthephysicalmechanismofmagneticplasmonspolaritons.2014,JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer.132,43-51。2015年，专利号CN103197368A(一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法)，在该专利中公开了一种用于1.3-2.0μm波段的Al-SiO2-Al三明治结构宽带线栅偏振器，文中重点突出了采用紫外纳米压印方法制备的具体过程，并采用严格耦合波算法验证了该线栅结构较好的偏振性能和该制备方法良好的加工误差容忍度。文中对磁局域共振效应的分析较少。2016年，张雷等通过银光栅-介质-金属微纳结构中激发的磁局域共振效应来实现石墨烯在近红外波段十六倍左右的吸收增强。见张雷，王卫，张红.基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究.2016,光散射学报.6.28(2):97-101。以上研究结果大部分都是研究了亚波长微纳结构(金属-介质-金属)形式中的电磁共振效应对结构透过率的影响和物理机制，而缺乏针对金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的研究。
技术实现思路
为了解决上述问题，本公开提出了一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，本公开中分析了金属线栅材料的种类、线栅的结构参数对磁局域共振效性的影响，利用金属层与介质层之间的磁局域共振效应获得更高的TM透射率和消光比，来满足红外波段对偏振器的要求。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：第一方面，本公开提供了一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，包括基底，以及从基底自下而上依次排列的亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层；作为可能的一些实现方式，所述低折射率亚波长介质线栅层的折射率在1.3-4.0之间，厚度为60-150nm；作为进一步的限定，考虑到实际亚波长线栅制备工艺的限制，界定线栅的总厚度在250nm-350nm之间，选择介质线栅层厚度在60-150nm之间，线栅深宽比的提高增加了线栅的制备工艺的难度，偏振效果并不理想。作为进一步的限定，所述低折射率亚波长介质线栅层的材料采用MgF2、SiO2、或TiO2，考虑到刻蚀和膜层的图形制作工艺，周期是300-600nm，占空比是0.4-0.7。作为可能的一些实现方式，所述两层亚波长金属线栅层的厚度均为100nm；不考虑金属线栅层高度对线栅偏振特性的影响。作为进一步的限定，所述的两层亚波长金属线栅层的周期和占空比与低折射率亚波长介质线栅层相同，金属材料选用Al、Cu、Ag或Au。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开设计的金属-介质-金属三层线栅结构偏振器，当入射光与线栅结构参数满足一定的条件时，可通过激发磁局域共振来提高TM波的透过率和大幅度的降低TE波的透射率，从而达到优化线栅的偏振特性的目的。亚波长金属线栅偏振器具有设计灵活、结构紧凑、易于集成、较宽的光谱和视场范围等优点，在微纳器件、集成光学等方面具有很大的应用前景。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本公开的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器结构示意图；图中1为亚波长金属线栅层，2为低折射率亚波长介质线栅层，3为亚波长金属线栅层，4为透明基底；图2为本公开实施例1中金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；图3为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；图4为本公开实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；图5为本公开实施例2中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；图6为本公开实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的TM、TE透射率与入射光波长关系图；图7为本公开实施例3中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器的消光比与入射光波长关系图；图8(a)和(b)分别为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器在磁局域共振效应1.5μm处电场和磁场的分布示意图；图9(a)和(b)分别为本公开实施例1中带有介质和金属线栅结构的红外偏振器在非磁局域共振效应4.0μm处电场和磁场的分布示意图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是：包括基底，以及从基底自下而上依次排列的亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层；/n所述的低折射率亚波长介质线栅层的折射率在1.3-4.0之间，厚度为60-150nm；/n所述亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层总厚度在250nm-350nm之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是：包括基底，以及从基底自下而上依次排列的亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层；
所述的低折射率亚波长介质线栅层的折射率在1.3-4.0之间，厚度为60-150nm；
所述亚波长金属线栅层、低折射率亚波长介质线栅和亚波长金属线栅层总厚度在250nm-350nm之间。


2.如权利要求1所述的一种金属-介质-金属三层线栅结构的红外偏振器，其特征是，
所述两层亚波长金属线栅层的厚度均为100nm。


3.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔园园，颜文超，罗海瀚，刘定权，
申请(专利权)人：山东劳动职业技术学院山东劳动技师学院，
类型：发明
国别省市：山东;37