專(zhuān)利名稱(chēng)：線柵偏振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及線柵偏振器，并尤其涉及用于可見(jiàn)光譜的多層線柵偏振器和分束器。
背景技術(shù)：
利用平行導(dǎo)線陣列起偏無(wú)線電波可以追溯到110多年前。線柵，通常為由透明襯底支承的細(xì)平行導(dǎo)體陣列的形式，已被用作電磁波譜紅外部分的偏振器。
決定線柵偏振器性能的關(guān)鍵因素是平行柵格元件的中心-中心的間隔，有時(shí)也稱(chēng)作周期或間距，與入射光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系。根據(jù)已知的原理，如果線柵間距或周期比波長(zhǎng)長(zhǎng)，則線柵用作衍射光柵而非偏振器，并且對(duì)兩種偏振方向衍射，不一定是相同的效率。但是，當(dāng)線柵間距(p)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，線柵起到偏振器的作用，反射偏振方向平行于線柵元件的電磁輻射(“s”偏振)，并透射垂直于偏振方向的輻射(“p”偏振)。
線柵周期處于大約半個(gè)波長(zhǎng)到兩倍波長(zhǎng)范圍內(nèi)的過(guò)渡區(qū)域，其特點(diǎn)在于光柵的透射和反射特性的突變。特別是，在給定的任意角度處在一個(gè)或多個(gè)特定波長(zhǎng)處時(shí)，對(duì)于偏振方向與線柵元件垂直的光，反射率突增，相當(dāng)于透射率的減小。Wood在1902年首先報(bào)告了這種效應(yīng)，也被稱(chēng)作“Wood’s Anomalies”。后來(lái)，在1907年，瑞利分析了Wood的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生更高級(jí)衍射的波長(zhǎng)與角度相結(jié)合時(shí)，就發(fā)生了這種異常。Rayleigh推導(dǎo)出預(yù)測(cè)異常位置的公式，也通常稱(chēng)作“瑞利諧振”λ＝ε(n+/-sinθ)/k(1)其中ε為光柵周期；n為光柵周?chē)橘|(zhì)的折射率；k為整數(shù)，對(duì)應(yīng)于所發(fā)生的衍射項(xiàng)的級(jí)次；并且λ和θ為發(fā)生諧振處的波長(zhǎng)和入射角(均在空氣中測(cè)得)。
對(duì)于形成在介電襯底一側(cè)上的光柵，上面公式中的n可以等于1或等于襯底材料的折射率。注意下面的公式給出了發(fā)生諧振的最長(zhǎng)的波長(zhǎng)
λ＝ε(n+sinθ)(2)其中n設(shè)定為襯底的折射率。
角度依賴性的影響在于隨著角度的增加，透射區(qū)域向更長(zhǎng)波長(zhǎng)偏移。當(dāng)想要把偏振器用作偏振分束器或偏振旋轉(zhuǎn)反射鏡時(shí)，這一點(diǎn)是很重要的。
通常線柵偏振器將反射其電場(chǎng)矢平行(“s”偏振)于柵線的光，透射其電場(chǎng)矢量與柵線垂直(“p”偏振)的光，但正如此處所討論的，入射平面可以與柵線垂直或不垂直。理論上，線柵偏振器對(duì)于一個(gè)偏振態(tài)的光如S偏振光來(lái)說(shuō)起理想反射鏡的作用，并對(duì)另一偏振態(tài)如P偏振光將完全透明。但實(shí)際上即使使用反射鏡最大的金屬作為反射鏡，也會(huì)吸收部分入射光，僅反射90％至95％的入射光，由于表面反射，普通無(wú)色玻璃不能100％的透過(guò)入射光。線柵偏振器以及其它的偏振器件的性能中主要的特點(diǎn)在于在感興趣的入射角和波長(zhǎng)范圍上測(cè)得的反差比、或消光比。對(duì)于線柵偏振器或偏振分束器，透射光束和反射光束的反差比(Tp/Ts)和(Rs/Rp)都可能是感興趣的。
歷史上開(kāi)發(fā)的線柵偏振器用于紅外但不可用于可見(jiàn)波段。這主要是因?yàn)榧庸ぜ夹g(shù)不能夠制造在可見(jiàn)光譜中有效工作的足夠小的分波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。即，柵線間隔或間距(p)應(yīng)該小于～λ/5以用于有效操作(對(duì)于可見(jiàn)波長(zhǎng)為p～0.10-0.13μm)，而甚至更小的間距結(jié)構(gòu)(例如p～λ/10)可以提供對(duì)器件反差比進(jìn)一步的改進(jìn)。但是，隨著加工技術(shù)的提高，包括0.13μm遠(yuǎn)UV光刻和干擾光刻法，可見(jiàn)光波線柵結(jié)構(gòu)變得可行。雖然現(xiàn)有技術(shù)中有幾個(gè)已知的可見(jiàn)光線柵偏振器的例子，但這些器件不能在應(yīng)用所需的寬帶可見(jiàn)光譜范圍上提供非常高的消光比(＞1,000∶1)，如在數(shù)字相機(jī)投影儀中的應(yīng)用。
在Garvin等人的美國(guó)專(zhuān)利US4,289,381中描述了一種令人感興趣的線柵偏振器，其中處于單個(gè)襯底上的兩個(gè)或多個(gè)線柵由一個(gè)介電中間層分開(kāi)。單獨(dú)沉積每個(gè)線柵，并且柵線足夠厚(100-1000nm)到對(duì)入射光不透明。線柵有效的增大，使得雖然單個(gè)線柵只能提供500∶1的偏振反差，但一對(duì)線柵的結(jié)合就可以提供250,000∶1的偏振反差。雖然據(jù)推測(cè)原理上可以擴(kuò)展到可見(jiàn)波長(zhǎng)，但只對(duì)器件在紅外光譜(2-100μm)的應(yīng)用進(jìn)行了描述。但是，因?yàn)榇似骷捎么?lián)兩個(gè)或多個(gè)線柵，所以對(duì)于減小的透射率和接收角交換額外的反差比。另外，該器件不是為反射光束的高質(zhì)量消光所設(shè)計(jì)的，這對(duì)其作為偏振分束器設(shè)置了一些限制。
Hegg等人的美國(guó)專(zhuān)利US5,383,053中描述了一種用于可見(jiàn)光范圍的線柵偏振分束器，其中金屬線(間距p＜＜λ且～150nm的特征)沉積在金屬柵行的上部，每一個(gè)沉積在玻璃或塑料襯底上。雖然此器件設(shè)計(jì)成覆蓋較多的可見(jiàn)光譜(0.45-0.65μm)，但期望的偏振性能比較適中，只輸出6.3∶1的總反差比。
Tamada等人的美國(guó)專(zhuān)利US5,748,368描述了一種用于近紅外光譜(0.8-0.95μm)的線柵偏振器，其中對(duì)線柵的結(jié)構(gòu)改變形狀以提高性能。在此情況下，通過(guò)利用在線柵偏振器和衍射光柵之間過(guò)渡區(qū)中的諧振之一，利用一種線柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在近紅外光譜中的操作，其中該線柵結(jié)構(gòu)具有一個(gè)長(zhǎng)的柵線間距(λ/2＜p＜λ)而非額定小線柵間距(p～λ/5)。在帶有楔形板的組件中的一個(gè)玻璃襯底上沉積厚分別為～140nm的線條。特別是，該器件采用梯形線條整形、襯底和楔形板之間的折射率匹配以及入射角調(diào)節(jié)的組和來(lái)調(diào)諧器件的操作以達(dá)到諧振波段。雖然該器件提供～35∶1的合理消光，這對(duì)于很多方面的應(yīng)用將是有利的，但此反差不適于這些應(yīng)用，如要求更高性能的數(shù)字相機(jī)。另外，該器件只在很窄的波段(～25nm)內(nèi)正確工作，并且對(duì)角度相當(dāng)靈敏(入射角2°的位移時(shí)移動(dòng)諧振波段～30nm)。這些需要考慮的事項(xiàng)使得該器件不適于線柵器件必需工作在“快速”光學(xué)系統(tǒng)(如F/2)的寬帶波長(zhǎng)應(yīng)用。
最近，都轉(zhuǎn)讓給Moxtek Inc.of Orem，UT的美國(guó)專(zhuān)利US6,108,131(Hansen等人)的US6,122,103(Perkins等人)描述了一種為可見(jiàn)光譜設(shè)計(jì)的柵線偏振裝置。US6,108,131描述了一種設(shè)計(jì)成工作在可見(jiàn)光譜區(qū)域的直通式線柵偏振器。該線柵偏振器額定地由一系列直接制作在襯底上的方格坐標(biāo)間距(p～λ/5)為～0.13μm的線條組成，線條的額定寬度為0.052-0.078μm，線條厚度(t)大于0.02μm。通過(guò)利用格柵間隔或間距為～0.13μm的線條，該裝置具有所需的亞可件波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，允許其一般地工作在長(zhǎng)波諧振帶和線柵區(qū)域中。US6,122,103提出了對(duì)基本線柵結(jié)構(gòu)的多種改進(jìn)，旨在加寬波譜并提高使用波譜上的效率和反差，無(wú)需更細(xì)的間距結(jié)構(gòu)(如～λ/10)?；旧喜捎昧烁鞣N技術(shù)來(lái)減小線柵周?chē)橘|(zhì)中的有效折射率，以便將最長(zhǎng)波長(zhǎng)的諧振帶移向更短波長(zhǎng)(見(jiàn)方程(1)和(2))。這通過(guò)在玻璃襯底上涂覆一層電介質(zhì)并再在此中間電介質(zhì)層上制作線柵而簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，其中電介質(zhì)層起著抗反射(AR)涂層的作用。中間電介質(zhì)層有效地減小光在線柵中的折射率，由此將最長(zhǎng)波長(zhǎng)的諧振移向短波。US6,122,103還描述了另一種設(shè)計(jì)，即通過(guò)在線條之間的間隔中形成凹槽來(lái)減小有效折射率，使得凹槽延伸到襯底本身中和/或沉積在襯底上的中間電介質(zhì)層中。作為這些設(shè)計(jì)改進(jìn)的結(jié)果，下波長(zhǎng)帶邊緣向下移動(dòng)～50-75nm，使得覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜。另外，在可見(jiàn)光譜中比現(xiàn)有的基本線柵偏振器平均效率提高～5％。
雖然US6,108,131和US6,122,103中描述的裝置明確了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，但仍然有機(jī)會(huì)對(duì)線柵偏振器和偏振分束器進(jìn)行性能的改進(jìn)。特別是，對(duì)于采用非偏振光源的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的光效率必須被最大化，提供反射光和透射光均為高消光的偏振分束器是很有用的。因?yàn)镸oxtek公司生產(chǎn)的市場(chǎng)上可得到的線柵偏振器對(duì)于反射的頻道只提供～20∶1的反差而非100∶1，而更理想的是2000∶1，所以它的用途受到限制。另外，這些器件的性能在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)變化相當(dāng)大，偏振分束器在藍(lán)光到紅光的范圍內(nèi)對(duì)透射光束提供的反差比從～300∶1到～1200∶1，對(duì)反射光束的反差比為10∶1至30∶1。因此，在可見(jiàn)光譜的藍(lán)光部分有機(jī)會(huì)提供偏振反差性能以及在整個(gè)可見(jiàn)光譜上更均勻的消光。最后，還有機(jī)會(huì)提高對(duì)透射的P偏振光的偏振反差，超過(guò)現(xiàn)有線柵器件提供的水平。這些改進(jìn)對(duì)于包括用于數(shù)字相機(jī)的電子成像系統(tǒng)、如電子投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將是特別有利的。
因此，存在對(duì)改進(jìn)的線柵偏振器的需求，尤其是用在需要寬波長(zhǎng)帶寬和高反差(目標(biāo)值是1000∶1或更大)的可見(jiàn)光系統(tǒng)的線柵偏振器。另外，還存在對(duì)這種用于大約45°入射角的改進(jìn)的線柵偏振器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)言之，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于對(duì)入射光束起偏的線柵偏振器包括一具有第一表面的襯底。在第一表面上設(shè)置一個(gè)平行細(xì)長(zhǎng)的導(dǎo)電柵線的線柵或陣列，相鄰柵線中的每個(gè)間隔分開(kāi)的線柵周期小于入射光的波長(zhǎng)。每條柵線包括一種細(xì)長(zhǎng)的金屬線和細(xì)長(zhǎng)的電介質(zhì)層交替分布的線內(nèi)(intra-wire)子結(jié)構(gòu)。柵線可以埋入或置入線柵偏振器的整個(gè)結(jié)構(gòu)中以便于有用的光學(xué)器件。還描述了實(shí)現(xiàn)這些線柵偏振器器件的設(shè)計(jì)和制作方法。
另外，作為本發(fā)明的另一方面，在各種構(gòu)造中描述了改進(jìn)的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)，包括基于偏振的反射式空間光調(diào)制器，其通常是液晶顯示器(LCD)、本發(fā)明的改進(jìn)的線柵偏振分束器和其它偏振光學(xué)器件。


圖1是現(xiàn)有線柵偏振器的透視圖；圖2a和2b是設(shè)計(jì)成在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)工作的現(xiàn)有線柵偏振器和偏振分束器的相對(duì)性能曲線；圖3a和3b是現(xiàn)有技術(shù)中描述的一類(lèi)線柵偏振分束器在可見(jiàn)光譜中透射、反射以及總偏振反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中描述的一類(lèi)線柵偏振分束器總反差與500nm光的入射角之間的關(guān)系曲線；圖5a-5f是根據(jù)本發(fā)明的線柵偏振器的各種結(jié)構(gòu)截面圖；圖6a和6b是本發(fā)明的線柵偏振器的反射及透射偏振反差比與波長(zhǎng)、總反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其中器件具有六層結(jié)構(gòu)；圖7a-7d是本發(fā)明的線柵偏振器的反射及透射偏振反差比與波長(zhǎng)、總反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其中器件具有十八層結(jié)構(gòu)；圖8a和8b是本發(fā)明的線柵偏振器的反射及透射偏振反差比與波長(zhǎng)、總反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其中器件具有交替的十八層結(jié)構(gòu)；圖9a和9b是本發(fā)明的線柵偏振器的反射及透射偏振反差比與波長(zhǎng)、總反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其中器件具有五層結(jié)構(gòu)；圖10a和10b是本發(fā)明的線柵偏振器的反射及透射偏振反差比與波長(zhǎng)、總反差比與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其中器件具有交替的五層結(jié)構(gòu)；圖11a-11c是可以采用本發(fā)明線柵偏振器的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)截面圖；圖12a-12c是根據(jù)本順序說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的線柵偏振器的制作的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖進(jìn)行描述，其中對(duì)本發(fā)明的各個(gè)元件給予標(biāo)號(hào)，對(duì)本發(fā)明的討論將使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖屠帽景l(fā)明。
圖1表示一種基本的現(xiàn)有線柵偏振器，并且定義了將用于現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的一系列說(shuō)明例中的術(shù)語(yǔ)。線柵偏振器100由大量的被介電襯底120支撐的平行導(dǎo)電電極(柵線)110組成。該器件的特點(diǎn)在于導(dǎo)體的光柵間隔或間距或周期表示為p；單個(gè)導(dǎo)體的寬度表示為w；導(dǎo)體的厚度表示為t。線柵偏振器額定地采用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，使得間距(p)、導(dǎo)體或柵線寬度(w)、和導(dǎo)體或柵線的厚度(t)均小于入射光的波長(zhǎng)(λ)。光源132產(chǎn)生的光束130以相對(duì)于法線θ角入射到偏振器上，入射平面垂直于導(dǎo)電元件，線柵偏振器100將此光束分成一鏡面反射的光束140和一非衍射的透射光束150。如果入射光束130包含一種波長(zhǎng)的光，該波長(zhǎng)的光將柵線110或凹槽115的線柵結(jié)構(gòu)作為衍射光柵而非亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，則還可以存在高階衍射光束160。采用對(duì)S和P偏振的標(biāo)準(zhǔn)定義，使得帶有S偏振的光具有正交于入射面的偏振矢量，并且因而平行于導(dǎo)電元件。相反，帶有P偏振的光具有平行于入射面的偏振矢量并因而正交于導(dǎo)電元件。
參見(jiàn)圖2a，圖中示出了Oren，Utah的Moxtek公司市售的線柵偏振分束器對(duì)于可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的透射效率曲線200和透射的“p”偏振反差比曲線205。該器件類(lèi)似于美國(guó)專(zhuān)利US6,108,131中所描述的基本線柵偏振分束器，它具有由沉積在介電襯底120上的40-60％占空比(52-78nm柵線寬度(w))制作的～130nm間距(p～λ/5)的柵線(平行導(dǎo)電電極110)。實(shí)金屬線定義為＞20nm厚，這樣確保超過(guò)可見(jiàn)光波長(zhǎng)的趨膚深度(δ)足夠的金屬厚度。此數(shù)據(jù)代表此器件合適的NA(數(shù)值孔徑)光束，即以45°入射角(θ)入射到線柵偏振器100上的光束。因?yàn)榇似骷⑷肷涔馐?30分成兩束出射的偏振光束(140和150)，分開(kāi)的光束從與入射光路可以空間區(qū)分的路徑傳播，所以此器件被認(rèn)作是偏振分束器。透射反差比曲線205測(cè)得的是透射的“p”偏振光相對(duì)于透射的“s”偏振光的平均反差(Tp/Ts)，其中“s”偏振光是不理想的泄漏。同樣，反射反差比曲線210測(cè)得的是反射的“s”偏振光相對(duì)于“p”偏振光的平均反差(Rs/Rp)。參見(jiàn)圖2b，圖中示出了Moxtek公司的市售線柵偏振器100在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)對(duì)于正入射(θ＝0°)的適中NA的光束1 0的平均性能。特別是，給出了(對(duì)于“p”偏振光)透射效率曲線220和透射反差比曲線225。這些一般提供“p”透射光束反差＞300∶1的器件的性能非常好，滿足多種應(yīng)用的需求。
雖然圖2a和2b中所示的性能相對(duì)于先有的線柵器件以及先有的偏振器很好，但還是有改進(jìn)的空間。特別是，對(duì)于線柵偏振分束器，由反射反差比曲線210測(cè)得的反射的“s”偏振光的反差比較低。在藍(lán)光光譜(450nm)處的偏振反差僅為～10∶1，并且甚至在紅光(650nm)處也只升到～40∶1。在需要反射和透射光束均有良好偏振反差的應(yīng)用中此性能顯得不夠。例如，在基于LCD的電子投影系統(tǒng)中，投影光透過(guò)并從偏振分束器反射，此處光束為快速光(F/4或更小)，較差的反射性能將要求該系統(tǒng)增加額外的組件。另外，雖然此現(xiàn)有的線柵偏振分束器對(duì)紅光提供～1200∶1的反差，但偏振作用隨波長(zhǎng)有很大的改變，在藍(lán)光處降至～400∶1(仍見(jiàn)圖2a所示的透射反差比曲線205)。
基本線柵偏振器的性能水平可以通過(guò)改變柵線的寬度、柵線的厚度、柵線的間距或是這三種指標(biāo)的任意組合來(lái)提高。但是，這些設(shè)計(jì)上的變化不一定提供反射光束或整個(gè)所需波長(zhǎng)帶上的所需反差比。而且美國(guó)專(zhuān)利US6,122,103中所述的線柵設(shè)計(jì)性能的改進(jìn)，即通過(guò)調(diào)整入射光與介電襯底120的作用擴(kuò)大了波長(zhǎng)通帶并增大了透射效率，也不一定提供對(duì)寬帶可見(jiàn)高反差應(yīng)用足夠的反差比。美國(guó)專(zhuān)利US6,108,131和US6,122,103中的線柵偏振器以及其它引用的現(xiàn)有技術(shù)線柵器件專(zhuān)利只利用了細(xì)長(zhǎng)的柵線平面(圖1中的X∶Y平面)內(nèi)的諧振效果，包括線柵偏振器和偏振分束器。當(dāng)入射光同時(shí)與柵線和介電襯底120作用時(shí)，界面處結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)也影響性能(如美國(guó)專(zhuān)利US6,122,103中所述)。因此，應(yīng)認(rèn)為柵線平面包括柵線本身以及介電襯底120的中間表面和次表面。
為了給本發(fā)明改進(jìn)的器件提供一個(gè)基準(zhǔn)，更詳細(xì)地分析了一些現(xiàn)有器件。圖3a表示對(duì)于一個(gè)類(lèi)似于美國(guó)專(zhuān)利US6,108,131所述的現(xiàn)有線柵偏振分束器的器件，算出的作為波長(zhǎng)函數(shù)的反射和透射偏振反差比。利用Gsolver光柵分析軟件工具模型此分析，使得能夠利用精確的耦合波分析(RCWA)完整地模型亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。Gsolver是GratingSolver Development Company，P.O.BOX 353，Allen，Texa上市的一種產(chǎn)品。該線柵器件模制成一系列直接形成在透明玻璃襯底上的平行的細(xì)長(zhǎng)的柵線。分析假設(shè)是一種間距p＝0.13μm的鋁線柵，導(dǎo)體寬度w＝0.052μm(40％的占空比)，導(dǎo)體厚度t＝0.182μm，襯底折射率n＝1.525。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該分析只考慮以θ＝45°角入射到線柵偏振分束器的準(zhǔn)直光束。圖3a提供了準(zhǔn)直透射光束的反差250(Tp/Ts)和準(zhǔn)直反射光束反差255(Rs/Rp)。算出的透射光束反差250在整個(gè)可見(jiàn)光譜上的范圍是104-105∶1，遠(yuǎn)大于實(shí)際器件所報(bào)道的～1000∶1的水平，如圖2a所示。但是，圖2a的曲線250表示實(shí)際器件的角平均性能，而圖3a的曲線250代表一種理想器件的準(zhǔn)直光束的理論性能。圖3a還表示對(duì)于現(xiàn)有類(lèi)型的線柵器件模型的理論反射光束的反差255。算出的理論反射光束在可見(jiàn)光譜上的反差范圍為～10∶1至～100∶1，對(duì)于實(shí)際器件只有邊緣好于圖2a給出的反射光束反差255。圖3b表示一條理論上的總反差275的曲線，總反差C計(jì)算如下C＝1/((1/Ct)+(1/Cr)) (3)總反差、即透射光束150(“p”偏振光)的反差與反射光束140(“s”偏振光)的反差的總合，可以看成主要由最低的反差比決定，是反射光束的反差。因此，美國(guó)專(zhuān)利US6,108,131中現(xiàn)有類(lèi)型的器件的總反差受“s”偏振反射光束限制，在可見(jiàn)光譜內(nèi)只有～10∶1至～100∶1，對(duì)于藍(lán)光波長(zhǎng)具有最差的性能。
圖4表示對(duì)于同樣的現(xiàn)有類(lèi)型的器件在500nm處作為廓線的總反差比C與角度的模型化的變化(0，0坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于45°)。這表明總反差比275從45°入射角時(shí)的～23∶1顯著變化為在～55°入射角(極角+10°)時(shí)的～14∶1，在35°角(極角+10°，方位角180°)時(shí)的～30∶1。因而，圖4有效地表示了總反差比如何通過(guò)具有大NA的入射光束來(lái)降低平均值。當(dāng)然，總反差C受反射反差(Rs/Rp)限制。對(duì)透射光束反差(Tp/Ts)與角度曲線的分析表明反差廓線遵從“Maltese Cross”圖案，只在非常窄的角度范圍內(nèi)有極高的反差值(＞104∶1)，而在一個(gè)相當(dāng)寬的角度范圍(＞12°極角，25°方位角)內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)～800∶1的平均反差值。還用Gsolver模型了光效率，基本上證實(shí)了圖2a中的透射效率曲線200?！皃”偏振光的透射效率在大部分可見(jiàn)光譜范圍上相當(dāng)均勻，約為87％，而反射的“s”光效率在可見(jiàn)光譜范圍上非常均勻，約為92％。
本發(fā)明如剖面圖5a所示的線柵偏振器300采用了一種結(jié)構(gòu)，每個(gè)細(xì)長(zhǎng)的組合柵線310(或平行的導(dǎo)電電極)具有一種分層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由沉積在透明介電襯底305上的一系列多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬線(320、322、324)和交替細(xì)長(zhǎng)的介電帶(介電層340、342、344)組成。通過(guò)正確地構(gòu)造線柵偏振器的組合柵線310，并且適當(dāng)?shù)叵薅ń饘贃啪€和介電層的各自厚度，可以利用光子隧道效應(yīng)與柵內(nèi)諧振效應(yīng)的結(jié)合來(lái)增強(qiáng)偏振器的性能。與現(xiàn)有線柵偏振器相反，本發(fā)明的線柵偏振器不僅采用細(xì)長(zhǎng)柵線的平面(X∶Y平面)內(nèi)的諧振效應(yīng)，而且還采用沿Z軸的多個(gè)平行的線內(nèi)平面之間的諧振效應(yīng)來(lái)限定和提高性能。還應(yīng)理解，圖5a-5d中所示的線柵偏振器310不是按比例示出，夸大了組合柵線310以展示與介電層交錯(cuò)的細(xì)長(zhǎng)金屬線的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)。如前所述，對(duì)于現(xiàn)有的線柵器件，間距(p)和柵線寬度(W)為亞波長(zhǎng)尺寸(～λ/5或更小)。雖然不是必須，柵線寬度(t)也是額定的亞波長(zhǎng)，如后所述。
特別是，本發(fā)明的線柵偏振器的設(shè)計(jì)是基于一些已知的物理現(xiàn)象、諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)的利用，其中正確構(gòu)成的金屬層可以對(duì)入射光部分地透明。在OE Reports，Dec.1999，pg.3的綜述文章“PhotonicBand Gap Structure Makes Metals Transparent”中描述了在構(gòu)成一種能夠諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)的光子帶隙結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。在J.App.Phys.83(5)，pp.2377-2383，1 March 1998，M.Scalora等的論文“Transparent，Metallo-Dielectric，One-Dimensional，Photonic Band-Gap Structures”中也描述了這一概念。
傳統(tǒng)上認(rèn)為入射光在發(fā)生反射之前只傳播通過(guò)短距離的、即趨膚深度(δ)的金屬膜。趨膚深度可以通過(guò)方程(4)算出δ＝λ/4πni(4)此處，算出的深度對(duì)應(yīng)于光強(qiáng)降至其在入射面處值的～1/e2時(shí)的距離，其中ni是折射系數(shù)的虛部)。傳統(tǒng)上認(rèn)為當(dāng)薄金屬層的厚度超過(guò)典型的趨膚深度值δ時(shí)對(duì)透射的可見(jiàn)光不透明，其中鋁和銀等金屬的δ值僅為10-15nm。但是，如這些論文所述，金屬-介電光子帶隙結(jié)構(gòu)可以由薄金屬片和薄介電片的交替層構(gòu)成，使得入射光可以有效地透過(guò)比趨膚深度δ厚的各個(gè)金屬層。(據(jù)定義，光子帶隙結(jié)構(gòu)是一種交替材料層的納米層級(jí)(nanoscopic)結(jié)構(gòu)，或者相似厚度的區(qū)段具有不同的折射率的納米層級(jí)結(jié)構(gòu)，這些材料層或區(qū)段在襯底或其它結(jié)構(gòu)上周期性地或準(zhǔn)周期性地隔開(kāi)，使得一定范圍內(nèi)的光波被該結(jié)構(gòu)透射(或阻擋))。最簡(jiǎn)單地說(shuō)，這些結(jié)構(gòu)可以通過(guò)考慮圖5a所示的單個(gè)組合柵線310成像，并且金屬線(320、322、324)和介電層(340、342、344)交替的結(jié)構(gòu)被拉伸成片以覆蓋介電襯底305二維表面的大部分。例如，這些論文描述的一種三周期結(jié)構(gòu)具有三個(gè)被三個(gè)厚度為140nm的氟化鎂(MgF2)層分開(kāi)的30nm厚的鋁(Al)層，在綠光波段提供15-50％的可變透射率。實(shí)際上，入射光隧穿第一薄金屬層并短暫遇到后面的介電層。透過(guò)第一金屬層進(jìn)入到后面的介電層的光遇到第二金屬層。然后建立適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，使得整體結(jié)構(gòu)的作用更象一個(gè)法布里-珀羅諧振腔(或標(biāo)準(zhǔn)具)，并且在介電層中的諧振增強(qiáng)了光在金屬層中的透射率。然后，此諧振增強(qiáng)的隧道效應(yīng)被具有金屬層和介電層交替分布的該結(jié)構(gòu)的重復(fù)設(shè)計(jì)所增強(qiáng)。的確，這些論文表明增加更多的周期(并因而增加金屬總厚度)對(duì)于具有較少周期的結(jié)構(gòu)可以提高總光透射，并減少帶通區(qū)域的振蕩。另外，還表明介電層厚度的調(diào)節(jié)可以依據(jù)所作的改變向長(zhǎng)波或短波移動(dòng)帶通結(jié)構(gòu)的邊緣。典型地情況是，這些結(jié)構(gòu)中的薄介電層顯著地厚于薄金屬層(～3-10×或更大)，而薄金屬層可以只是趨膚深度的厚度，但也可以比理論上的趨膚深度(δ)厚幾倍。
這種可以利用金屬-介電光子帶隙的諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)現(xiàn)象還沒(méi)有廣泛地用于實(shí)踐。在引用的參考文獻(xiàn)中，此效應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)于光屏蔽裝置有用的，它透射一個(gè)波段的光(例如可見(jiàn)光)而阻擋鄰近的波段(UV和IR)。的確，這種光子帶隙結(jié)構(gòu)可以提供附近波段的抑制，它比簡(jiǎn)單金屬膜結(jié)構(gòu)改善幾個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，美國(guó)專(zhuān)利US5,751,466(Dowling等人)和US5,907,427(Scalora等人)描述了這種效應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)用于光通訊的可變光子信號(hào)延遲裝置的作用。但是，現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有預(yù)見(jiàn)對(duì)偏振器件的一般設(shè)計(jì)、或尤其對(duì)線柵偏振器和偏振分束器使用金屬-介電光子帶隙結(jié)構(gòu)的諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)的益處。而且不必清楚諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)通過(guò)提高整個(gè)可見(jiàn)光譜或甚至任何單色波段的偏振反差或透射率而改善線柵偏振器的性能。
因此，本發(fā)明的線柵偏振器300，如圖5a-5d所述，采用了多個(gè)制作一致的細(xì)長(zhǎng)的組合柵線310，分別具有包括交替的金屬線(320，322，324)和介電層(340，342，344)的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的線柵偏振器一樣，平行于柵線的偏振光被該器件反射，正交于柵線的偏振光被透射。但是，現(xiàn)有線柵偏振器使用較厚的柵線，為100-150nm厚典型的單片沉積金屬，而本發(fā)明的線柵偏振器將柵線構(gòu)造成一系列交替的薄金屬層和介電層。結(jié)果，正交于柵線偏振的入射光通過(guò)光子隧道效應(yīng)和增強(qiáng)的諧振效效應(yīng)部分地透過(guò)金屬層本身，并且因而透射的偏振光與反射的偏振光的總反差比提高。與只依賴于柵線平面(圖1中的X∶Y平面)內(nèi)諧振效效應(yīng)的現(xiàn)有線柵偏振器相比，本發(fā)明的線柵偏振器還利用正交方向(圖1的Z方向)上的諧振效應(yīng)來(lái)確定性能。
本發(fā)明的線柵偏振器300的第一實(shí)例示于圖5a，其中每條細(xì)長(zhǎng)的組合柵線310具有六層周期性的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，包括交替的金屬層(金屬線320，322，324)和介電層(介電層340，342，344)。與現(xiàn)有器件一樣，線柵偏振器300模制成柵線位于130nm的間距(p～λ/5)、40％的占空比的結(jié)構(gòu)，使得柵線的寬度(w)為52nm。因而，組合柵線310之間的凹槽312為78nm寬。凹槽312額定地用空氣而非其它介質(zhì)填充，如光學(xué)液體或凝膠。同樣與現(xiàn)有器件類(lèi)似，該器件模制成一個(gè)偏振分束器，準(zhǔn)直光束以θ＝45°角入射。另外，組合柵線310用包括三個(gè)MgF2薄介電層(介電層340，342，344)，每個(gè)33nm厚，和交替的三個(gè)薄鋁金屬層(金屬線320，322，324)，每個(gè)61nm厚，的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315模制。
根據(jù)有效介質(zhì)理論，入射光與每層的有效折射率相互作用，其中有效折射率依賴于組合柵線310的幾何形狀、層本身的幾何形狀、層(金屬或電介質(zhì))的復(fù)合折射率、柵線之間的材料(空氣)的折射率以及相鄰層建立的邊界條件。如圖5a所示，以線柵偏振器300為例，設(shè)計(jì)線內(nèi)結(jié)構(gòu)使得第三介電層344位于第三金屬線324和透明介電襯底305的表面307之間。組合柵線310的總柵線厚度(t)、即三條金屬線柵320、322、324和三個(gè)介電層340、342、344的厚度之和為282nm或(～λ/2)。圖6a和6b所示的該器件的模制的偏振性能是對(duì)模制結(jié)果如圖3a和3b所示的基本線柵偏振器反射和透射二者的改進(jìn)。通過(guò)使用8級(jí)衍射的Gsolver模型的性能以確保精確性。如圖6a所示，在可見(jiàn)光譜上對(duì)“p”光的理論透射光束的反差250的變化為105-106∶1，而在可見(jiàn)光譜上對(duì)“s”光的反射光束的反差255平均相當(dāng)?shù)鼐鶆颍s為100∶1。因而，如圖6b所示，在整個(gè)可見(jiàn)光譜上總的反差比275也平均為約100∶1。犧牲效率也沒(méi)有獲得改善的偏振性能，因?yàn)椤皊”光反射效率為～91％，而“p”光透射效率為～83％，在整個(gè)可見(jiàn)光譜上變化很小。借助這種對(duì)于反射的“s”偏振光有較高的并且均勻的偏振反差，該器件可以提供偏振分束器在“p”和“s”均被采用的應(yīng)用中改善的性能。值得注意的是，該器件還表現(xiàn)出比US6,108,131的器件在“p”偏振光反差(也認(rèn)作偏振消光比)上～10x的改進(jìn)以及增強(qiáng)的藍(lán)光性能，在大部分藍(lán)光光譜上具有反射光束反差255和平均為～250∶1的總反差比275。這種性能在很多應(yīng)用中包括投影系統(tǒng)中都是很有用的。
另外，與圖3a和3b所示的現(xiàn)有類(lèi)型的器件相比，圖6a、b第一實(shí)例的線柵偏振分束器在總反差275和透射光束反差250上的改進(jìn)不會(huì)以降低的角度性能為代價(jià)。對(duì)總反差C的廓線分析表明，500nm處在一個(gè)寬的角度帶(+/-12°極角和+/-30°方位角)內(nèi)獲得～500∶1的平均反差值。還對(duì)于準(zhǔn)直光束在正入射(θ＝0°)模型了此第一實(shí)例的器件。因?yàn)樵谡肷?θ＝0°)時(shí)整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍的透射光束反差＞105∶1，所以證明第一實(shí)例的線柵偏振器可以很好地用作偏振檢偏器或起偏器，但恰好不是線柵偏振分束器。
雖然本發(fā)明的線柵偏振器和US4,289,381中Garvin等人的線柵偏振器均有在Z軸方向延伸的多個(gè)圖案化柵線平面，但這些線柵偏振器卻顯然不同。特別是，US4,289,381中多個(gè)線柵偏振平面的每個(gè)中的的柵線都是厚的實(shí)金屬線(100-1000μm)，但缺乏線內(nèi)子結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于整個(gè)柵線有用的易失透射率來(lái)說(shuō)也太厚。另外，US4,289,381中兩柵情形的多線平面優(yōu)選具有半間距偏差(p/2)而不是重疊排列。最后，US4,289,381的線柵偏振器設(shè)計(jì)優(yōu)選與相鄰的線柵以柵間間隔(1)和間距偏差(p/2)定位，從而避免柵間諧振或Etalon效應(yīng)的發(fā)生。相反，本發(fā)明的線柵偏振器300特別采用在分層的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)中的Etalon型諧振效應(yīng)以提高性能。
本發(fā)明線柵偏振器300的第二實(shí)例示于圖5b，其中每個(gè)組合柵線310具有十八層的周期性的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，包括交替的金屬層(金屬線330a-i)和介電層(介電層350a-i)。與第一實(shí)例的器件一樣，第二實(shí)例的線柵偏振器300模型成組合線310處于130nm的間距(p～λ/5)、40％的占空比、線寬(w)52nm的結(jié)構(gòu)。同樣與前述類(lèi)似，該器件模制成一個(gè)偏振分束器，準(zhǔn)直光束以θ＝45°角入射。如前所述，最后的介電層(330i)鄰近介電襯底305。但另外，組合柵線310用包括九個(gè)MgF2薄介電層(介電層330a-i，每個(gè)39nm厚)和九個(gè)薄鋁金屬層(金屬線350a-i，每個(gè)17nm厚)交替的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315模型。組合柵線310的總柵線厚度(t)、即九條金屬線柵330a-i和九個(gè)介電層350a-i的厚度之和為504nm、即～1λ。圖7a和7b所示的該器件的模型的偏振性能是對(duì)模型結(jié)果如圖3a和3b所示的基本線柵偏振器反射和透射的改進(jìn)。如圖7a所示，在可見(jiàn)光譜上對(duì)“p”光的理論透射光束的反差250的變化為107-108∶1，而在可見(jiàn)光譜上對(duì)“s”光的反射光束的反差255平均約為100∶1。因而，如圖7b所示，在整個(gè)可見(jiàn)光譜上總的反差比275也平均約為100∶1。雖然此器件比第一實(shí)例的器件顯著地更為復(fù)雜，但對(duì)于“p”偏振光的理論透射光束反差250比第一實(shí)例的器件好～100x，并比現(xiàn)有技術(shù)中的器件(見(jiàn)圖3a)好～1000x。
本發(fā)明線柵偏振器300的第三實(shí)例示于圖5b，具有與第二實(shí)例相似的十八層結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)組合柵線310具有十八層周期性的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，包括交替的金屬層(金屬線330a-i)和介電層(介電層350a-i)，除介電層和金屬層的厚度有所改變。在此情形下，組合柵線310用包括九個(gè)MgF2厚介電層(介電層330a-i，每個(gè)283nm厚)和交替的九個(gè)薄鋁金屬層(金屬線350a-i，每個(gè)17nm厚)的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315模型。組合柵線310的總柵線厚度(t)為2700nm、即～5λ。如圖7c和7d所示，與圖7a和7b相比，第三器件具有顯著不同于第二器件的偏振性能，雖然只在介電層350a-i的厚度有變化。從圖7d顯見(jiàn)，總反差比275在藍(lán)光光譜上具有平均反差比～150∶1，而在綠光和紅光光譜上性能下降?？偡床畋?75的曲線其在藍(lán)光波段的迅速振蕩也是值得注意的，其在峰-谷之間擺動(dòng)，即～50∶1-～500∶1的反差之間擺動(dòng)。采用厚介電層的此例提出了設(shè)計(jì)波段調(diào)諧線柵偏振分束器的可能，該分束器不僅對(duì)于“p”透射光具有良好的性能，而且對(duì)于“s”反射光也有非常好的性能(250∶1或更好)。但不幸的是，雖然Gsolver是一種優(yōu)越的分析軟件程序，但沒(méi)有寫(xiě)入編碼以進(jìn)行偏振反差的優(yōu)化，因此不能夠獲得具有進(jìn)一步改進(jìn)的性能的實(shí)例結(jié)果。但是，此設(shè)計(jì)的優(yōu)化允許金屬層和介電層的厚度變化，建立非周期性或雙倍周期的結(jié)構(gòu)，可以提高在藍(lán)光的性能，提供理想的結(jié)果。
應(yīng)該注意，可以利用具有厚介電層但非十八層總層數(shù)的類(lèi)似的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315獲得類(lèi)似于柵線偏振器300第三實(shí)例的結(jié)果。未示出的第四實(shí)例的線柵偏振器用一種包括八層的結(jié)構(gòu)模型，其中四層MgF2，每層525nm厚，與四層鋁層交替，鋁層每層厚為45nm。因此組合柵線310的總厚度(t)為2.28μm、即～4λ。該模型器件相對(duì)于柵線間距(p)、線寬(w)和入射角方面與前面實(shí)例的器件相同。所得的該第四實(shí)例器件在藍(lán)光光譜上的偏振性能，如圖8a和8b所示，非常類(lèi)似于第三實(shí)例器件(圖7c和7d)的性能。有趣的是，圖8a提出了在藍(lán)光和紅光光譜上對(duì)于透射光束和反射光束具有高反差但在綠光光譜對(duì)于兩種光束有低反差的結(jié)構(gòu)的可能。
相對(duì)于只根據(jù)介電層的厚度(39nm對(duì)283nm)而變化十八層線柵偏振器的第二和第三實(shí)例，可以通過(guò)利用中間介電層厚度模型類(lèi)似的器件來(lái)獲得其它感興趣的結(jié)果。例如，具有56nm介電層厚度的模型器件在整個(gè)可見(jiàn)光譜上提供最小～100∶1的總反差比，但在～450nm和～610nm上提供兩個(gè)局部化的峰值，總偏振反差為～1000∶1或更大。
本發(fā)明第五實(shí)例的線柵偏振器300示于圖5c，其中每個(gè)組合柵線310具有五層周期性的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，包括交替的金屬層(金屬線320，322和324)和介電層(介電層340和342)。與其它實(shí)例的器件一樣，第五實(shí)例的線柵偏振器300模型成組合柵線310處于130nm的間距(p～λ/5)、40％的占空比、線寬(w)52nm的結(jié)構(gòu)。同樣與前述類(lèi)似，該器件模型成一個(gè)偏振分束器，準(zhǔn)直光束以θ＝45°角入射。但是，該器件具有線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，采用一種金屬層(金屬線324)與介電襯底30鄰近5而非前述實(shí)例中的介電層鄰近的設(shè)計(jì)。組合柵線310用包括兩個(gè)MgF2薄介電層(介電層340和342，每個(gè)55nm厚)和與三個(gè)薄鋁金屬層(金屬線320，322和324，每個(gè)61nm厚)的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315模型。組合柵線310的總厚度(t)為293nm、即λ/2。雖然圖9a和9b所示的該器件的模型的偏振性能是對(duì)圖3a和3b所示的基本線柵偏振器反射和透射的改進(jìn)，但此五層器件不能象第一實(shí)例的六層器件一樣好地工作。如圖7a所示，在可見(jiàn)光譜上對(duì)“p”光的理論透射光束的反差250變化為105-106∶1，而在可見(jiàn)光譜上對(duì)“s”光的反射光束的反差255均勻僅為～40∶1。因而，如圖7b所示，在整個(gè)可見(jiàn)光譜上總的反差比275也平均為～40∶1。另外，與第一實(shí)例的器件相比，在其波段上藍(lán)光性能較不均勻。不過(guò)，具有金屬層(線324)與介電襯底305接觸結(jié)構(gòu)的此器件仍然是有用的。
本發(fā)明第六實(shí)例的線柵偏振器300是第五實(shí)例的一種改型，示于圖5d，在每個(gè)組合柵線310中只具有五層，第六實(shí)例的器件具有一種非周期性的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315。因而，組合柵線310由包括三個(gè)薄鋁金屬層(金屬線320，322和324，每個(gè)61nm厚)和兩個(gè)MgF2薄介電層(介電層340為27.5nm厚，介電層342為82.5nm厚)交替的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315模型。如前所述，第三金屬層324與介電襯底305接觸。如同第五實(shí)例的器件，該器件的總柵線厚度(t)為293nm。該器件的模型性能，如圖10a和10b所示，類(lèi)似于第五實(shí)例器件的性能(見(jiàn)圖9a和9b)，除了從總反差275測(cè)得的藍(lán)光光譜的性能平均值較高。第五和第六實(shí)例的器件也提示了波段調(diào)諧線柵偏振器的可能。
因?yàn)閿?shù)據(jù)變化很小，所以沒(méi)有提供各個(gè)實(shí)例(一至六)的“ s”偏振反射效率和“p”偏振透射效率所測(cè)得的光效率曲線。一般地，在可見(jiàn)光譜上”s”偏振光的反射效率是均勻的，處于80～90％的效率水平。“p”偏振透射效率的均勻性較低，如同一些實(shí)例的器件表現(xiàn)的在光譜的低藍(lán)色區(qū)域效率有所下降。另外，總的“p”偏振透射效率低于“s”光效率，總的處于較低至中等的80％的效率水平。
應(yīng)該理解，每個(gè)細(xì)長(zhǎng)的組合柵線310具有一般大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。因此，組合柵線310具有至少約0.7μm的長(zhǎng)度。但是，在大部分實(shí)際器件中，組合柵線310將是幾毫米或甚至是幾厘米的長(zhǎng)度，這將根據(jù)應(yīng)用所需的大小。雖然與線柵間距或周期(p)相比用相對(duì)于組合柵線310的寬度(w)40％的占空比模型應(yīng)用的各種實(shí)例的線柵偏振器，但應(yīng)該理解，也可以使用其它的占空比。一般地，40-60％范圍內(nèi)的占空比將提供相對(duì)于透射和反差比最佳的總體性能。值得注意的是，如實(shí)例的器件所示，組合柵線310的總厚度(t)可以大致從半波長(zhǎng)變到五個(gè)波長(zhǎng)，同時(shí)仍對(duì)透射的“p”偏振光提供異常的透射和對(duì)“s”偏振光提供阻礙。另一方面，當(dāng)前的器件制造方法可以限制組合柵線310的可以實(shí)現(xiàn)的縱橫比(厚度(t)比寬度(w))。結(jié)果，可見(jiàn)光譜上的實(shí)際器件可以限制到總厚度(t)僅為～100-300nm的范圍(～λ/6-～λ/2)。因此，總柵線厚度的限度可以根據(jù)具有金屬線和介電層交替的分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315制約分辨率空間和可能的設(shè)計(jì)自由度，但不用說(shuō)，甚至在有限的分辨空間內(nèi)，也可以發(fā)現(xiàn)有利的設(shè)計(jì)。通過(guò)比較，現(xiàn)有線柵器件很大地依賴于金屬柵線的厚度，金屬柵線的厚度厚于幾個(gè)趨膚深度(δ)以確保對(duì)“s”偏振光良好的阻礙。另外，值得注意的是，本申請(qǐng)中實(shí)例的器件可以有細(xì)長(zhǎng)金屬線(例如330)的厚度，只有幾個(gè)(約1-4)趨膚深度厚并仍提供對(duì)透射的“p”偏振光異常透射和對(duì)“s”偏振光的阻礙。例如，第五實(shí)例器件采用多層金屬，每層厚度為61nm，約等于四個(gè)趨膚深度。最后，介電襯底120的第二或相對(duì)表面可以有一個(gè)抗反射(AR)涂層以提高總透射。
應(yīng)該理解，這里的對(duì)具有包括金屬和介電層多重交替的分層的線內(nèi)柵結(jié)構(gòu)315的線柵偏振器300的各種實(shí)例并不包括所有可能的設(shè)計(jì)。原因之一，不允許偏振反差優(yōu)化的Gsolver軟件的局限將現(xiàn)有的結(jié)果限制到低于它們的潛能。此外，材料的其它組合可以用于設(shè)計(jì)，包括用金或銀取代鋁，或用SiO2或TiO2取代介電材料MgF2。實(shí)際材料的選取將依據(jù)于理想的設(shè)計(jì)性能以及方法限制。還應(yīng)該理解，雖然用包括一部分組合柵線310的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的一部分的最外層(最遠(yuǎn)離介電襯底305)作為金屬層來(lái)設(shè)計(jì)所有的實(shí)例器件，交替地介電層也可以用作最外層。
另外，還可以設(shè)計(jì)這樣的器件，用光學(xué)清潔的液體、黏合劑或凝膠而非空氣填充凹槽312。此結(jié)構(gòu)示于圖5e，其中折射率為ni的光學(xué)材料是一種形成在凹槽312中的介電填充物360。例如，介電填充物360可以是與用于形成介電層340、342、344相同的材料，其部分地包括組合線柵310。所得的線柵偏振器300被介電填充物360有效地浸沒(méi)，具有組合柵線310得到保護(hù)(免受氧化)的益處。
圖5f中示出了一種完全嵌入式線柵偏振器，其中組合柵線310不僅制作在介電襯底305上，而且還與第二介電襯底355重疊并接觸(或幾乎重疊或接觸)，從而形成一個(gè)包含內(nèi)偏振層的集成器件。在此情況下，該集成器件是一個(gè)板偏振器。兩個(gè)介電襯底可以有或沒(méi)有相同的光學(xué)特性。優(yōu)選設(shè)置一種折射率為ni的光學(xué)插入材料(介電填充物360)，它可以包括光學(xué)清潔的黏合劑(或環(huán)氧樹(shù)脂或凝膠)，填充凹槽312并接觸第二介電襯底355，以助于確保其不受組合柵線310結(jié)構(gòu)的影響。或者，介電填充物360可以由與用于形成介電層340、342和344相同的介電材料組成，而分離光學(xué)材料如環(huán)氧樹(shù)脂用于確保第二介電襯底355不受組合柵線310的結(jié)構(gòu)的影響。為了避免內(nèi)反射的問(wèn)題，用于圖5e和5f中線柵偏振器中介電填充物360的插入光學(xué)材料既可以是折射率與介電襯底匹配(ni＝nd)，也可以是具有較低的折射率(ni＜nd)。這種插入光學(xué)材料也可以用一薄層覆蓋組合柵線310而不是柵線直接接觸第二襯底。不幸的是，用折射率為nI的介電材料而非空氣填充凹槽將由于降低反差且向上移動(dòng)波長(zhǎng)帶的下邊緣而減弱柵線器件的設(shè)計(jì)性能。這些變化可以通過(guò)組合柵線310的另一種設(shè)計(jì)而得到補(bǔ)償，該設(shè)計(jì)可以改變線柵間距(p)和線內(nèi)子結(jié)構(gòu)315。
注意到，圖5f所示的嵌入式線柵偏振器的介電襯底每個(gè)都可以是直角棱鏡，其中偏振層制作在斜邊上。然后可以組裝該棱鏡以形成一個(gè)集成偏振棱鏡。在此情況下，偏振層沿內(nèi)對(duì)角線設(shè)置，由此提供一種MacNeille型棱鏡的等同物，但推測(cè)具有增進(jìn)的性能。
另一點(diǎn)應(yīng)該注意，實(shí)例器件只表征了一種具有非周期性結(jié)構(gòu)的器件結(jié)構(gòu)。雖然該器件(第六實(shí)例)較簡(jiǎn)單，但也可以是更復(fù)雜的器件，這要依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作器件的能力。包括分層的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)315的金屬層和介電層的厚度可以依結(jié)構(gòu)而變化。例如，可以設(shè)計(jì)準(zhǔn)周期線內(nèi)結(jié)構(gòu)如線性調(diào)頻結(jié)構(gòu)。作為另一實(shí)例，除了調(diào)節(jié)最外層和/或最內(nèi)層(最接近介電襯底305)的厚度之外，可以將線內(nèi)結(jié)構(gòu)315設(shè)計(jì)成周期性交替的金屬和介電層，從而提高界面到線柵外部區(qū)域的性能。同樣，介電襯底305可以用一個(gè)中間層涂覆，組合柵線310線內(nèi)結(jié)構(gòu)的最內(nèi)層與中間層而非介電襯底305直接接觸。當(dāng)然，器件的優(yōu)化不僅依賴于線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的細(xì)節(jié)，而且還依賴于柵線間距(p)和柵線寬度(w)。實(shí)際上，由具有分層的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的組合柵線310組成的線柵偏振器300的設(shè)計(jì)原理允許線柵器件獲得否則將由較小間距結(jié)構(gòu)提供的性能水平。
另外，線柵偏振器300可以用具有分層的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的組合柵線310設(shè)計(jì)制作，其中分層的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315在器件的表面上有所變化。因而，將可以建立一種用于偏振分束或偏振檢偏的空間變型器件。
設(shè)計(jì)一種具有包括多層金屬和交替的介電層的分層線內(nèi)子結(jié)構(gòu)315的線柵偏振器300(或偏振分束器)的實(shí)際過(guò)程(如圖5a-5f所示)起始于器件參數(shù)指標(biāo)的定義。主要的指標(biāo)是光譜帶寬、光入射角、入射光的角寬度(數(shù)值孔徑)、透射效率(“p”偏振.＞～80％)，透射反差(例如＞1000∶1)，反射效率(“s”偏振，＞～80％)，反射反差(例如＞200∶1)。確定標(biāo)準(zhǔn)的線柵特征、柵線間距(p)和柵線寬度(w)，由制作過(guò)程的極限分辨率設(shè)定最小值。還定義組合柵線310的額定分層線內(nèi)結(jié)構(gòu)315，包括金屬層的數(shù)量和厚度以及介電層的數(shù)量和厚度。還定義其它參數(shù)，如金屬和電介質(zhì)的材料選取、凹槽312中任何材料的材料選取以及線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的周期性或非周期性。有一些參數(shù)如柵線間距(p)、柵線寬度(w)、總柵線厚度和層數(shù)可以有上下限條件，在限度之內(nèi)可以發(fā)生迭代變化以驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。然后可以進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程，評(píng)估性能靶值和工藝性問(wèn)題的結(jié)果。
雖然由具有分層的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的分層的柵線310組成的線柵偏振器300可以有相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，但復(fù)雜性不一定等于困難的制作過(guò)程。一般地，用于制作各層、無(wú)論金屬層還是介電層的容限都比較寬松。期望典型的層厚容限是幾納米，這些器件具有10nm以上的層容限，而其它的器件依據(jù)設(shè)計(jì)具有1nm或更小的容限。
形成所述的線柵結(jié)構(gòu)的過(guò)程可以以幾種方式完成。在用空氣填充柵線之間凹槽312的組合柵線310的情形中，構(gòu)建以介電襯底305開(kāi)始。在后面的實(shí)例中，使用金屬如鋁沉積第一金屬層。沉積方法可以是包括熱蒸發(fā)或?yàn)R射在內(nèi)的幾種標(biāo)準(zhǔn)方法之一。接下來(lái)，利用隨后接著是金屬蝕刻(可以是干金屬蝕刻，如CCl4、BCl3)的標(biāo)準(zhǔn)光刻對(duì)金屬形成圖案，從而形成金屬線330c的第一層。圖12a中示出這種情形。接下來(lái)，沉積第一介電層350c。假設(shè)電介質(zhì)包括但不限于SiO2和MgF2。依據(jù)使用的設(shè)備和期望的層數(shù)，可能需要在介電層沉積之后進(jìn)行平面化。如前所述，設(shè)置并圖案化另一金屬層(330b)，之后再對(duì)介電層(350b)進(jìn)行這種操作，并且可能再進(jìn)行平化，從而形成金屬/介電疊層。重復(fù)此過(guò)程直到實(shí)現(xiàn)金屬/介電疊層具有所需的層數(shù)以形成組合柵線310。每個(gè)層可以有不同于前面層的設(shè)計(jì)和控制。圖12b表示交替的金屬線330和介電層350的完整疊層。注意，在對(duì)組合柵線310圖案化的過(guò)程中介電填充物360被收集在凹槽312中。在最后一層是金屬的情況下，最后的金屬層被圖案化之后，用介電蝕刻從組合柵線310之間的凹槽312中去除介電填充物360。(氧化物和氮化物可能的干蝕刻可以包括CF4和SF6)。在最后的層是介電層的情況下，在最后的介電層上圖案化掩模層，去除線間介電填充材料360，并再去除掩模層。最后的器件示于圖12c。如果沉積在介電襯底305上的第一層是一個(gè)介電層，則可以首先沉積，再開(kāi)始金屬圖案化。
具有用電介質(zhì)填充線間區(qū)域(凹槽312)的另一種結(jié)構(gòu)遵從一種更簡(jiǎn)單的制作過(guò)程。除了不從線內(nèi)區(qū)域中去除電介質(zhì)以外，該方法與前述相同。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不存在在去除介電填充物360的介電蝕刻過(guò)程中損壞組合柵線310的可能性。
還可以采用另一種方法，該方法包括重復(fù)蝕刻電介質(zhì)或離子束蝕刻法。同樣可以考慮移去(lift off)法。如果考慮濕蝕刻，尤其是如果在沉積每一層后進(jìn)行蝕刻，則蝕刻化合物的可能選擇包括用于SiO2蝕刻的HF，用于鋁蝕刻的PAN。應(yīng)該理解，還有很多方法制作該器件。方法的選擇依據(jù)于使用的材料和具體的層疊結(jié)構(gòu)。
如前所述，本申請(qǐng)的線柵偏振器300，具有多層金屬和介電層交替的分層的線內(nèi)柵結(jié)構(gòu)，可以給正入射偏振器和偏軸入射偏振分束器提供改進(jìn)的性能。這種結(jié)構(gòu)作為偏振分束器的設(shè)計(jì)和利用具有相當(dāng)?shù)奈?，因?yàn)樗锌赡茱@著地提高反射反差(Rs/Rp)。因此，圖11a表示一種調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400，包括一個(gè)線柵偏振分束器410和反射空間光調(diào)制器445，其中入射光束130分成反射光束140和透射光束150，后者照明調(diào)制器。作為包括安裝、制冷的調(diào)制器組件和電子元件界面(均未示出)的一部分的空間光調(diào)制器445名義上是一種LCD(液晶顯示器)，它調(diào)制光150的入射透射光束的偏振狀態(tài)。載象光束490由從LCD445調(diào)制并反射并且隨后從線柵偏振分束器410反射的過(guò)程建立。反射光束140中的光可以導(dǎo)入到光阱(未示出)中。成象光束所經(jīng)的有效光路包圍入射光束130、透射光束150和載象光束490。
根據(jù)本發(fā)明，線柵偏振分束器410包括一種分層的子波長(zhǎng)柵線430和凹槽435的結(jié)構(gòu)，組合柵線具有多層金屬和介電層交替的結(jié)構(gòu)，形成在介電襯底425的第二表面420。如圖11a所示，線柵偏振分束器410最好以最接近LCD 445的分層子波長(zhǎng)柵線430取向，而第一表面415(名義上被AR涂覆)面對(duì)入射光束130。通過(guò)將承載分層子波長(zhǎng)柵線430的第二表面420放置成最接近LCD 445，線柵偏振分束器410中由于熱感應(yīng)應(yīng)力雙折射(來(lái)自吸收光)致使反差損失的可能性降低。
圖11a所示的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400還表示了包括一個(gè)預(yù)起偏器470、一個(gè)偏振檢偏器475和兩個(gè)偏振補(bǔ)償器450和460。預(yù)起偏器470和偏振檢偏器475可以是線柵偏振器，自然包括根據(jù)本發(fā)明的具有分層子波長(zhǎng)柵線的線柵偏振器。這些元件可被包括或不包括，主要依據(jù)設(shè)計(jì)的靶值和限制。其它元件如投影透鏡(未示出)可以配合該系統(tǒng)。
在圖11b中示出了一個(gè)第二示例調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400，其中反射光束140對(duì)反射式空間光調(diào)制器(LCD)445照明。然后反射式空間光調(diào)制器445根據(jù)所施加的控制信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)入射光的偏振狀態(tài)，將圖像數(shù)據(jù)賦予光束。當(dāng)光透過(guò)線柵偏振分束器410時(shí)形成載象光束490。成象光束所經(jīng)的有效光路包圍入射光束130、反射光束140和載象光束490。因?yàn)閳D11b所示的線柵偏振分束器410部分包括傾斜板，所以由投影透鏡(未示出)成象的LCD 445的圖像將具有象差(彗差和象散)，此象差由透過(guò)傾斜的平行板電介質(zhì)時(shí)成象所引致的。這些象差可以通過(guò)各種方式得到光學(xué)校正?；蛘撸梢哉{(diào)整線柵偏振分束器410以包括一個(gè)嵌入式線柵偏振分束器，起偏的界面包含在立體棱鏡中。前述描述過(guò)了這樣的棱鏡。
在圖11c中示出了一個(gè)第三示例調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400。在此系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)制器-LCD446a和446b分別由反射光束140和透射光束150照明。利用透過(guò)線柵偏振分束器410的LCD 446a調(diào)制光(偏振態(tài)被轉(zhuǎn)動(dòng))和從線柵偏振分束器410反射的LCD 446b調(diào)制光(偏振態(tài)被轉(zhuǎn)動(dòng))的結(jié)合形成載象光束490。擁有兩種偏振(“p”和“s”)的光的所得載象光束通過(guò)投影透鏡495成象到靶平面(如屏幕)(未示出)。通過(guò)給圖11c所示的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400配置兩個(gè)LCD 445(每個(gè)偏振一個(gè))，可以提高整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光效率。例如，可以開(kāi)發(fā)一種全色系統(tǒng)，該系統(tǒng)把光分成三色通道(紅、綠和蘭)，每個(gè)顏色通道由圖11c所示一個(gè)調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400組成，有效地提供六LCD系統(tǒng)。因?yàn)楸景l(fā)明的線柵分束器410，可以考慮這種選擇，其分層?xùn)啪€包括多層與介電層交替的金屬線，同時(shí)該選擇可以提供透射及反射高反差。如前所述，具有嵌入式形成立體棱鏡結(jié)構(gòu)的另一種線柵偏振分束器410可以用于避免傾斜板象差，并且對(duì)兩個(gè)成象光束提供相同的光路。
可以利用本申請(qǐng)的線柵偏振器300構(gòu)成其它實(shí)例的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)，組合柵線形成為具有多個(gè)金屬層與介電層交替的分層線內(nèi)柵結(jié)構(gòu)。例如，可以構(gòu)成另一種調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用透射式偏振轉(zhuǎn)動(dòng)空間光調(diào)制器，其中調(diào)制器位于兩偏振器(預(yù)起偏器和檢偏器)之間的光路上，至少一個(gè)偏振器是本發(fā)明的線柵偏振器。這些線柵偏振器可以和與改變空間光調(diào)制器的不同類(lèi)型的偏振器結(jié)合使用，空間光調(diào)制器不必正好是液晶顯示器(LCD)。例如，可以與PLZT調(diào)制器結(jié)合使用。應(yīng)該理解，任何一種所述的調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)400都可以用作某些更大的系統(tǒng)如圖像打印機(jī)或投影顯示器的子組件。
最后，應(yīng)該注意，雖然在此關(guān)于在電子投影的應(yīng)用中在可見(jiàn)光譜上的操作討論了由具有分層的線內(nèi)結(jié)構(gòu)315的組合柵線310組成的改進(jìn)的線柵偏振器300的原理，但本原理完全可以擴(kuò)展到其它的應(yīng)用及其它的波段。雖然很多實(shí)例集中在增大整個(gè)可見(jiàn)光譜或藍(lán)光光譜上的反射反差，但自然也可以增大在其它色段(綠色和紅色)的反射反差。事實(shí)上，在綠色和紅色光譜上性能的提高可以比在藍(lán)色光譜上更顯著?；蛘?，這種器件可以設(shè)計(jì)并制作成在近紅外波長(zhǎng)用于光通信系統(tǒng)(～1.0-1.5μm)或是在遠(yuǎn)紅外(如20μm)或是在電磁波譜。本原理還有可能用于制作窄波長(zhǎng)偏振器件，其中“p”透射反差為＞108∶1，“s”的反射反差為＞104∶1。同樣，可以在可見(jiàn)或紅外譜段設(shè)計(jì)窄波長(zhǎng)陷波偏振分束器，其中“p”和“s”偏振鑒別被同時(shí)優(yōu)化，產(chǎn)生具有優(yōu)良的總反差的偏振分束器。另外，第三實(shí)例的器件提出了一種具有可以給大的波段提供高偏振反差的結(jié)構(gòu)的偏振濾波器，圍繞一個(gè)提供最小偏振反差的中間波段(見(jiàn)圖8a)。例如，當(dāng)與適當(dāng)結(jié)構(gòu)的照明裝置組合時(shí)此器件可以用于一個(gè)進(jìn)行質(zhì)量和缺陷檢測(cè)的生產(chǎn)組裝線中。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)入射光束起偏的浸沒(méi)式線柵偏振器，包括一具有一表面的襯底；設(shè)置在所述表面上的一具有插入凹槽的平行、細(xì)長(zhǎng)的組合柵線陣列，其中所述組合柵線中的每一個(gè)以小于所述入射光的波長(zhǎng)的線柵周期隔開(kāi)；其中所述凹槽中的每一個(gè)用一種介電光學(xué)材料填充；其中所述組合柵線中的每一個(gè)包括細(xì)長(zhǎng)金屬線和細(xì)長(zhǎng)介電層交替的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)；并且其中細(xì)長(zhǎng)金屬線和細(xì)長(zhǎng)介電層交替的所述線內(nèi)子結(jié)構(gòu)包括至少兩條所述細(xì)長(zhǎng)金屬線。
2.如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式線柵偏振器，其特征在于所述線柵偏振器以相對(duì)于所述入射光束一角度的方向取向，使得所述線柵偏振器起偏振分束器的作用，并將透射偏振光束和反射偏振光束與所述入射光束的所述角度分開(kāi)。
3.如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式線柵偏振器，其特征在于細(xì)長(zhǎng)金屬線和細(xì)長(zhǎng)介電層交替的所述線內(nèi)子結(jié)構(gòu)支持通過(guò)所述細(xì)長(zhǎng)金屬線的諧振增強(qiáng)隧道效應(yīng)，由此提高偏振態(tài)正交于所述組合柵線陣列的光的透射。
4.如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式線柵偏振器，其特征在于細(xì)長(zhǎng)金屬線和細(xì)長(zhǎng)介電層交替的所述線內(nèi)子結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)所述介電層。
5.如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式線柵偏振器，其特征在于所述入射光處于電磁波譜中約0.4-1.6μm的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種用于對(duì)入射光束(130)起偏的線柵偏振器(300)包括一個(gè)具有第一表面的襯底。在第一表面(307)上設(shè)置一個(gè)平行延伸的組合柵線(310)的線柵或陣列，相鄰柵線間隔分開(kāi)的線柵周期小于入射光的波長(zhǎng)。每條柵線包括一種細(xì)長(zhǎng)金屬線(330a－i)和細(xì)長(zhǎng)電介質(zhì)(350a－i)層交替分布的線內(nèi)子結(jié)構(gòu)(315)。
文檔編號(hào)G02F1/13GK1497273SQ20031010134
公開(kāi)日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者A·F·庫(kù)爾茨, S·拉馬努詹, 米向東, A F 庫(kù)爾茨, 砼 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司