CN1363048A - 用于可见光谱的宽带线栅偏振器 - Google Patents

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Abstract

一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器(400),该偏振器具有多个支承在一衬底(1210)上的细长元件(1240)。在该元件与衬底之间设置一折射率低于衬底折射率的区域(1250),以减小产生谐振的最长波长。

Description

用于可见光谱的宽带线栅偏振器
发明背景
1.发明领域：
本发明涉及用于电磁光谱可见光部分的偏振光学元件。更特别地，本发明涉及宽带线栅偏振器，有效地透过特定偏振态的光，同时有效地反射偏振态与该特定偏振态垂直的光。
2.现有技术
使用平行导线阵列对无线电波进行偏振可以追溯到110年以前。线栅通常为由透明衬底所支承的细平行导体阵列的形式，并且已经使用线栅作为电磁光谱红外部分的偏振器。
确定线栅偏振器性能的关键因素是平行光栅元件的中心到中心的间距，即周期，与入射辐射的波长之间的关系。如果与波长相比光栅间距或周期较长，该光栅起衍射光栅的作用，而不是偏振器的作用，根据已知原则对两个偏振态进行衍射(不必具有相同效率)。当光栅间距或周期远小于波长时，光栅起到偏振器的作用，反射偏振态平行于光栅元件的电磁辐射，并透过垂直偏振态的辐射。
光栅周期处于大约半个波长到两倍波长范围内的过渡区域，其特点在于光栅的透射和反射特性的突变。特别是，在任意给定入射角处在一个或多个特定波长处，对于偏振态与光栅元件垂直的光，反射率突然增加，相当于透射率的减小。伍德(Wood)在1902年首先报告了这种效应(Philosophical Magazine，1902年9月)，通常将这种效应称为“伍德异常”(Wood’s Anomalies)。后来，Rayleigh分析了伍德的数据，发现在发生更高衍射级的波长与角度相结合时，就发生了这种异常(Philosophical Magazine，vol.14(79)，pp.60-65，1907年7月)。Rayleigh推导出预测异常位置的公式(在文献中也常被称为“Rayleigh谐振”)：
    λ＝ε(n±sinΘ)/k                            (1)
其中ε为光栅周期；
    n为光栅周围介质的折射率；
    k为整数，对应于所发生的衍射项的级次；并且
    λ和Θ为发生谐振处的波长和入射角(均在空气中进行测得)。
对于形成在介电衬底一侧的光栅，上面公式中的n可以或者等于1，或者等于衬底材料的折射率。注意下面的公式给出了发生谐振的最长的波长：
    λ＝ε(n+sinΘ)                                (2)
其中n设定为衬底的折射率。
角度依赖性的影响在于随着角度的增加，透射区域向更长波长偏移。当想要把偏振器用做偏振分束器或偏振旋转反射镜时，这一点是很重要的。
图1表示一基本的现有技术的线栅偏振器，并且定义了将用于现有技术和本发明的一系列说明例中的术语。线栅偏振器100包括大量由介电衬底120支承的平行的导电电极110。该装置的特征在于导体的间距或周期表示为p；单个导体的宽度表示为w；导体的厚度表示为t。光源132产生的光束130，以相对法线为Θ角入射到偏振器上，入射平面垂直于导电元件。线栅偏振器100将这束光分成一镜面反射分量140和非衍射透射分量150。对于比公式2给出的最长谐振波长短的波长，还将存在至少一个更高级次的衍射分量160。使用常规对S和P偏振态的说明，S偏振态的光其偏振矢量与入射面垂直，从而与导电元件平行。相反，具有P偏振态的光其偏振矢量与入射面平行，从而与导电元件垂直。
通常，线栅偏振器将反射其电场矢量平行于栅线的光，透过其电场矢量与栅线垂直的光，不过如此处所讨论的，入射平面可以与栅线垂直或不垂直。此处所选择的几何结构是为了说明清楚起见。
理论上，线栅偏振器对于一个偏振态的光如S偏振光来说起理想反射镜的作用，并且对于另一偏振态如P偏振光来说将完全透明。不过，实际上即使使用反射性最大的金属作为反射镜，也会吸收部分入射光，仅反射90％至95％的入射光，由于表面反射，普通无色玻璃不能透过100％的入射光。
图2表示计算而得的入射角Θ等于45°的现有技术的线栅偏振器的非衍射，即零级透射和反射。使用可以从Grating Solver发展公司(P.O.Box353，Allen，Texas)买到的Gsolver光栅分析软件工具计算出这些数据。该软件工具执行精确耦合波分析和模拟法。分析方法和结果与文献中给出的那些报告相似(“用于可见光和红外光的层状金属透射光栅的耦合波分析”，Journal of the Optical Society of America A，Vo.12，No.5，1995年5月，第1118-1127页)。该分析假设铝栅的周期p＝0.2μm，导体宽度w＝0.1μm，导体厚度t＝0.1μm，衬底折射率n＝1.525。注意在大约0.34μm和大约0.445μm波长处出现两个谐振，如公式1所预计的。并且还注意到这些谐振仅对P偏振态偏振器特性产生重要的影响。
对于S方向偏振的入射光，现有技术偏振器的性能接近于理想。在从0.4μm到0.7μm的可见光谱上，对于S偏振态其反射率大于90％。在这个波长带上，少于2.5％的S偏振光被透过，其余的光被吸收。除了小的透射分量以外，对于S偏振态线栅偏振器的特性与连续铝反射镜的特性相似。
对于P偏振态，由低于0.5μm波长处的谐振现象来控制线栅的透射和反射效率。在大于0.5μm的波长处，对于P偏振光线栅结构作为损耗介电层。在0.5μm至0.7μm的波长带上，该层中的损失和表面的反射一起将P偏振光的透射限制到大约80％。
图3表示计算得到的不同类型的现有技术线栅偏振器的性能，如Tamada在美国专利5,748,368中所描述的。在这种情形中，使用一种折射率匹配液体或粘合剂将格栅结构层叠在两个衬底之间，使得该格栅被恒定折射率的介质所环绕。在这个例子中，n＝1.525并且其他光栅参数与前面的例子相同，没有改变。这种线栅结构表现出在大约0.52μm处的单一谐振，如公式1所预计的。注意存在一个从大约0.58μm到0.62μm的窄波长区域，在这个区域上对于P偏振态反射率几乎接近零。美国专利5,748,368描述了一种线栅偏振器，利用这种效应实现具有高消光比的窄带宽线栅偏振器。Tamada专利说明书中所给出的例子使用周期为550nm光栅，取决光栅厚度、导体宽度和形状，以及入射角，产生波长从800到950nm的谐振。注意Tamada专利对于偏振方向采用独特的定义(P偏振定义为平行于光栅元件，从而垂直于传统定义中的入射表面)。Tamada利用的谐振效应不同于其位置由公式1预计出的谐振。这两种谐振可以是重合的，不过不必要重合。Tamada利用这第二种谐振。另外，可能产生薄膜干涉效应。对于垂直偏振光反射率小于几个百分比的偏振器的带宽一般为中心波长的5％。这种类型的窄波带偏振器可以应用于光存储器和通信系统，众多的可见光系统，如液晶显示，要求偏振光学元件在从400nm至700nm的可见光谱范围具有均匀的特性。
再次参考图2所示的数据，可以看出对宽波带偏振器的必然需要在于最长的波长谐振点必须被抑制或转移到比期望使用的光谱短的波长处。再参考公式2，可以看出可以使用三种方法来减小最长波长谐振点的波长。首先，可以减小光栅周期ε。不过，减小光栅周期增加了光栅结构的制造难度，尤其是由于必须保持光栅元件的厚度以便保证所反射的偏振光的足够的反射率。第二，可以将入射角限制为近似垂直入射。不过对入射角的约束将极大地减小偏振装置的应用，使该装置不能用于如投影液晶显示装置中，投影液晶显示装置需要以45°为中心的宽角度带宽。第三，可以降低衬底的折射率。不过，适用于偏振器装置大量制造的仅有的比较经济的衬底是几种薄片玻璃，如Corning型1737F或Schott型AF45，所有这些玻璃的折射率在可见光谱上在1.5至1.53之间变化。
因此，需要一种改进的线栅偏振器，尤其是用于要求宽波长带宽的可见光系统中。另外，需要这样一种用在大约45°入射角的改进的线栅偏振器。特别是，需要一种偏振器结构，其中可以消除最长波长谐振点或将该最长波长谐振点转移到更短的波长。
发明目的和概述
本发明的一个目的在于提供一种改进的线栅偏振器，其在整个可见光谱上能够提供高透射和反射效率。
本发明的另一目的在于提供一种线栅偏振器，当用于宽入射角范围时能够提供高效率。
本发明的又一目的在于提供一种用来制造这种偏振器的方法。
本发明的这些和其他目的以及优点可以在偏振器装置中实现，该偏振器装置包括支承在一衬底上的平行导电元件的格栅，具有一低折射率区域，并且控制格栅元件与衬底之间的厚度。
根据本发明的一个方面，该低折射率区域包括从衬底延伸的肋。可以使用格栅元件作为自对准掩模，通过在衬底中蚀刻狭槽来形成肋。
根据本发明另一方面，该低折射率区域包括一个或多个插入在格栅元件与衬底之间的低折射率介电薄膜。
根据本发明的又一方面，该格栅元件由通过蚀刻形成的肋或通过插入在格栅元件与衬底之间的一个或多个介电薄膜来支承。
根据本发明的再一方面，提供一种用来制造这种偏振器装置的方法。
考虑到下面结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征、优点和其他方面对于本领域技术人员来说是显而易见的。
附图说明
图1是现有技术线栅偏振器的透视图。
图2是表示现有技术线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图3是表示现有技术线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图4为本发明最佳实施例的线栅偏振器的截面图。
图4a为本发明另一实施例的线栅偏振器的局部截面图。
图4b为本发明另一实施例的线栅偏振器的局部截面图。
图4c为本发明另一实施例的线栅偏振器的局部截面图。
图5为表示对于P偏振态，本发明最佳实施例的线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图6为表示对于P偏振态，本发明另一实施例的线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图7为本发明另一实施例的线栅偏振器的截面示意图。
图8为表示对于P偏振态，本发明另一实施例的线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图9为本发明另一实施例的线栅偏振器的截面示意图。
图10为表示对于P偏振态，本发明另一实施例的线栅偏振器的波长与透射率和反射率之间关系的曲线图。
图11为制造本发明线栅偏振器的最佳方法的工序的截面示意图。
图12为制造本发明线栅偏振器的另一种方法的工序的截面示意图。
发明详细描述
现在将参照附图进行说明，其中将对本发明的多个元件给出数字标记，将讨论本发明，使本领域技术人员能够制造和使用本发明。
本发明是一种宽带宽线栅偏振器，包括一平行的导电元件的阵列，通过具有低折射率和厚度受控的区域将导电元件与支承衬底隔开。在偏振器装置中，将线栅与衬底分隔开的低折射率区域起两个作用。第一，低折射率的存在将最长的波长谐振点移到更短的波长处。第二，作为一层或多层厚度受控设计的低折射率区域，可以实现从偏振器所反射的P偏振光分量的减少。
如图4所示，说明了本发明最佳实施例的线栅偏振器，一般由400表示。偏振器400包括多个平行、细长的由透明衬底410支承的导电元件420。衬底410具有第一表面414，折射率为nS。如下面所述，衬底可以是玻璃，可以具有大约为1.5的折射率nS。
所使用的波长确定了元件的尺寸以及元件布置的尺寸，并且被设计为用于宽的或整个可见光光谱。元件420相当长且细。最好是，每个元件420的长度通常大于可见光的波长。从而，元件420的长度至少为大约0.7μm(微米)。不过一般长度可以更长。
另外，元件420通常平行配置，元件的间距或周期P小于光的波长。从而，间距将小于0.4μm(微米)。如上所述，减小对于给定入射角发生谐振的最长波长的一种方法，是减小周期。不过减小周期增加了制造难度。因此，间距P最好近似等于二分之一的光波长，或者近似0.2μm。另外，应该注意具有较长周期(大于近似两倍光波长或1.4μm)的格栅起衍射光栅的作用；具有较小周期的格栅(小于近似半个光波长或0.2μm)起偏振器的作用；周期处于过渡区域中(在大约0.2至1.4μm之间)的格栅也起衍射光栅的作用，并且特点在于突变或称为谐振的异常。如上所述，由于在可见光谱范围内多个波长处发生异常，以在可见光谱范围内发生谐振为特征的现有技术装置具有窄的工作范围。在理解线栅的行为时，该过渡区域是一个重要的概念。为了在所需要使用的光谱上获得宽带宽形成，必须将本发明的宽带宽偏振器设计成处在该过渡区域之外。从而，这种过渡区的界限用于限定本发明线栅周期的上限。
正如所指出的那样，随着入射角的增加，公式1中给出的角度依赖性将过渡区移动到较长波长。通过减小间距可以额外地增加这种移动量。在垂直入射折射率为1的衬底时，给出过渡区域近似为0.5λ≤p≤2λ。对于折射率为nS的衬底，并且光相对法线方向成θ角入射，需要将周期的下限减小从公式1导出的倍数： 0.5 λ ( n s + sin θ ) ≤ p
对于折射率为1.7的非常高折射率的玻璃以及75°的角度，公式3为019λ≤p。所以对于任何入射角和任何用于可见光谱的传统衬底材料，有效过渡区域近似限制为0.19λ≤p≤2λ。
另外，每个元件420的宽度W可以在10％至90％间距P的范围内。元件420的厚度t可以大于大约200A°或20nm，并且由于制造过程中的实际限制，厚度小于大约300nm。另外，元件420最好是均匀或等间隔设置。
可以选择元件宽度W使得对于特定应用来说，该偏振器的性能最优。增加元件相对于间距的宽度，对于平行偏振反射率将增加到接近100％，同时对于垂直偏振反射率将增加到超过0％的理想值。从而，对于透射光，元件宽度与间距的高比值将提供高消光比(由于没有平行偏振透过)，不过不一定会产生高效率(由于将反射部分垂直偏振光)。相反，元件宽度与间距的低比值对于反射光束将提供高消光比，不过不一定会产生高效率。当元件宽度与间距的比值为40％至60％时，可能会得到最高的由平行光束的反射率和垂直光束的透射率的乘积定义的总效率。
元件420的布置没有按照比例画出，为了清楚起见已经进行了非常大地夸张。实际上，对肉眼来说元件的排列是不可见的，当不通过极度放大而进行观察时，显示为局部镜面化的表面。元件420可以由任何能够被形成为宽光谱反射镜的材料形成，如金属。最好是，对于可见光应用来说该材料为银或铝。
在最佳实施例中，将导电元件420支承在从衬底410或第一表面414延伸的肋430上是比较有利的。肋430的材料可以与衬底410相同，而且可以与衬底一体形成。例如，可以通过使用元件420作为掩模，蚀刻掉衬底410在元件420之间曝光的部分而形成肋430，下面对此进行更加充分地讨论。
肋430具有一定的高度或厚度hR，限定了一个通常由434表示的、处于元件420与衬底410或表面414之间的区域，将元件420与衬底410分开。肋430所产生的区域434较好是具有一个小于衬底折射率nS的平均折射率nR，或者说肋434和衬底410满足条件nR＜nS。例如，肋430可以是玻璃，折射率nS为1.525。对等宽度的肋和槽，对于有效介质折射率使用Bruggeman的方法〔Ann.Phys(Leip.)，Vol.24，pp.636(1935)〕，nR的值大约为1.41。
区域434具有由tR所表示的厚度，在最佳实施例中该厚度由肋430的高度hR限定。元件420与衬底410或表面414分开等于区域厚度tR的距离。可以改变肋430的高度hR或区域434的厚度tR来调节偏振器400的性能。将元件420从衬底410或表面414分开，并且插入一个具有比衬底410的折射率低的区域434，可以有利地增加较短波长处偏振器410的p偏振透射效率，减小可使用偏振器410的最小波长，或者将最长谐振点移动到更短波长，如下面更充分地讨论的那样。
另外，肋430具有可以具有矩形或正方形的截面形状，如440所示，或者可以通常为梯形，如444所示。梯形肋444可以在肋444之间形成局部V-形槽448。肋430的形状还影响偏振器410的效率，如下面更完全讨论的那样。如图4b所示，肋452之间槽450的底面可以是V-形的。另外，如图4c所示，元件460可以比肋462更宽，或者衬底468中的槽464可以比元件460之间的槽470更宽。或者，如图4a所示，元件480可以比肋482更窄，或者衬底486中的槽484可以比元件480之间的间隔488更窄。
图5表示对于四个不同肋高度hR或区域厚度tR，即0.005，0.01，0.04和0.1μm，关于现有技术，计算得到的入射光束的波长与图4中偏振器装置410的p偏振态透射率之间的关系。分析假设与前面的例子相似：光栅间距或周期p＝0.2μm，导体宽度w＝0.1μm，导体厚度t＝0.1μm，入射角＝45°，衬底折射率＝1.525。所选择的衬底折射率代表可得到的适度成本的玻璃片材料的特征，包括麻粒(Corning)型1737和肖特(Schott)型AF45。该分析假设通过各向异性蚀刻导电元件的之间衬底形成矩形截面的肋。
如图5所示，0.005与0.10μm之间的肋高度hR或区域厚度tR明显地降低了该装置可用的最小波长。注意0.04μm高的肋还改善了整个可见光谱上偏振器装置的透射效率。
重要的是在图5中注意到，所描述的从0.005μm到0.1μm的每个蚀刻深度提高了本发明相对现有技术的性能。值得注意的是，对于形成的特定线栅偏振器结构，如0.005μm那样小的槽深度如何极大地影响蓝光中更短波长处的性能。已经在多种相似计算和原始实验中观察到这种结果，在更小的周期该效果甚至更加显著。相信即使肋的高度为1nm至2nm那样小，对于某些特定线栅偏振器结构来说也证明其是有价值的。
肋的确切形状对偏振器性能产生次要的影响。图6表示对于其导电元件支承在梯形的、由衬底中蚀刻的V-型槽分开的肋上的偏振器，计算而得的波长与p偏振透射率之间的关系。梯形肋的影响与前面讨论的矩形肋相似，不过没有矩形肋那么有利。
图7为本发明另一实施例的截面图。偏振器700包括多个平行、细长的，由透明衬底710支承的导电元件720。一个或多个介电材料740层或薄膜插入导电元件720与衬底710之间。层或薄膜740具有厚度tF和折射率nF，限定了区域厚度为tR的区域734。为了具有所需的将谐振点移动到较短波长的效果，至少其中一个介电层740必须具有实质上小于衬底710折射率nS的折射率nF，或者满足条件nF＜nS。
图8表示关于现有技术，当具有三种不同厚度tF，即0.04、0.1和0.22μm的单层n＝1.38的氟化镁(MgF2)插入导电元件与衬底之间时，计算得到的波长与线栅偏振器的p偏振透射率之间的关系。该分析的其它假设与前面的例子相同。将MgF2的厚度从0增加到0.22μm，会逐渐地将最长波长谐振点从大约0.445μm移动到0.41μm，从而增加了偏振器装置的有用带宽。0.22μm薄膜的存在还改善了整个可见光谱上偏振器的透射性。
以前Auton(应用光学，第6卷第6期，1967年6月，第1023-7页)描述了在线栅和支承衬底之间使用单层减反射涂层，他将其称为“光学加膜层(blooming layer)”。他在简单阻抗匹配公式和理想地导电薄金属条的基础上进行的分析表明，该层光学加膜层的折射率应该等于衬底折射率的平方根，并且具有四分之一的感兴趣波长的光学厚度。Auton得出结论，用这种方法制造的线栅的性能与没有被支承的、特别是对于“仅要求在单一波长下进行操作的激光应用”格栅的性能相同。Auton或者是没有察觉谐振效应，或者通过假设格栅间距远小于感兴趣的波长而选择忽略谐振效应。另外，对于光学加膜层来说条件不同于移动或抑制公式1所预计的谐振所需的条件。Auton所建议的阻抗匹配光学加膜层，在窄参数范围上将是有效的，而本发明的实施例在宽参数范围上将是有效的。从而Auton没有给出本发明第二实施例的教导。
图9为本发明另一实施例的截面图，其中偏振器装置900包括由肋940支承的导电元件920。肋940可以通过蚀刻曝露在导电元件920之间的一个或多个介电层944、甚至衬底910而形成。因此，肋940可以由一个或多个膜层944，或者部分膜层944形成，如950和960所示。另外，可以通过多个膜层944来形成肋940。薄膜层944可以是多层相同材料以获得想要的厚度或者单种材料的高度。薄膜层944还可以是多种不同材料，以便取得不同效果或性能特征。
另外，肋940可以由不同材料的层构成，如970所示。其中一层的材料可以与衬底910材料相同，可以与衬底910一体形成。例如，如970所示，其中一层可以与图4所示上面所描述的肋430相似，限定了部分衬底肋948，构成了整条肋940的一部分。从而，可以通过薄膜层944与形成于衬底910中的衬底肋948两者，通过将薄膜层944沉积在衬底肋948上面来形成肋940，如970所示。如上所述，可以通过对元件920之间的层944和衬底910进行蚀刻而形成肋940。
而且，区域934由肋940限定，区域934可以通过薄膜层944，或者通过薄膜层944与衬底肋948形成在薄膜层944中。这种结构可能将低折射率层的效果与构成肋的衬底的效果有益地结合起来。肋940的整个高度hR可能仅是介电层944厚度tF的一部分，如950所示；可能等于介电层944厚度tF，如960所示；或者可能大于介电层944厚度tF，如970所示。因此，如970所示，层944厚度tF与衬底肋948高度hS构成了区域厚度tR和整条肋940的高度hR。衬底肋948成为由衬底肋948与薄膜层944形成的结合肋940的底层结构，使得在每个衬底肋948上沉积多个薄膜层944。
图10表示对于所制造的衬底与导电元件之间具有一单层MgF2的偏振器装置，以及三种不同的衬底肋高度hS与MgF2薄膜厚度tF的组合时，波长与p偏振透射率之间的关系。在两种情形中，衬底肋高度hS与MgF2薄膜厚度tF是相同的。在第一种情形中，衬底肋高度hS与薄膜厚度tF均为0.04μm，作为0.08μm的肋高度hR和区域厚度tR。在第二种情形中，衬底肋高度hS与薄膜厚度tF均为0.10μm，作为0.20μm的肋高度hR和区域厚度tR。在第三种情形中，MgF2薄膜厚度tF为0.22μm，衬底肋高度hS仅为0.04μm，作为0.26μm的区域厚度tR。与现有技术的偏振器相比，后者这种组合将50％透射率点从大约0.46μm移动到大约0.41μm，且将可见光谱上的平均偏振器透射率增加了大约6％。
图11表示用于制造前面图4所示偏振器装置的方法。第一步是在衬底1110上形成平行导电元件1120的阵列。可以通过任何几种众所周知的方法来形成这些元件1120。例如，Garvin在美国专利4,049,944和Ferrante在美国专利4,514,479中均描述了使用全息干涉光刻术在光刻胶中形成细光栅结构，然后通过离子束刻蚀将该结构转移到下面的金属薄膜上。Stenkamp(“用于可见光谱区域的格栅偏振器”，SPIE会刊，第2213卷，第288-296页)描述了使用直接电子束光刻术来产生光致刻蚀图案，然后通过活性离子刻蚀将该图案转移到金属薄膜中。还可以使用其它高分辨率光刻技术，包括超强紫外线光刻和X-线光刻，来产生光致刻蚀图案。可以使用其它技术，包括其它刻蚀机制和去除(lift-off)方法，将图案从抗蚀剂转移到金属薄膜。用于形成平行导电元件阵列的确切方法不是本发明的关键。
在形成平行导电元件1120之后，第二步是使用该导电元件1120作为掩模来蚀刻衬底1110，从而产生支承导体1120的肋1130。可以根据衬底1110的材料，使用适宜化学作用的离子束刻蚀或活性离子刻蚀在衬底1110中蚀刻沟槽。
图12说明前面在图7和9中表示的偏振器装置的制造过程。第一步是在透明衬底1210的一个表面上沉积一层或多层透明介电材料1230。第二步如前所述是形成平行导电元件1220的阵列。第三步是使用导电元件1220作为掩模，通过蚀刻底层1230形成支承导电元件的肋1240。可以将蚀刻深度限制在介电薄膜层1230厚度的一部分，蚀刻深度可以扩展到整个介电薄膜层1230，或者可以按照需要扩展到整个介电薄膜层1230并进入衬底1210。
应当理解，所描述的本发明实施例仅仅是说明性的，对本领域技术人员来说可以对其进行变型。例如，尽管本发明已经描述了对于入射角为45°的例子，然而通过适当调节偏振器装置的物理参数，本发明同样适用于其它入射角。此外，本发明的主要优点在于将偏振器装置的有用带宽在可见光谱中扩展到更短波长，然而对于用在其它光谱区域如红外中，本发明还可用于改善偏振器装置的透射性。考虑到与现有技术相比本发明的设计灵活性显著提高，本领域技术人员必然能够想到其它变型。因此，不能认为本发明局限于所公开的实施例，而是仅由所附 限定。

Claims (96)

1.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和折射率的衬底；
一在该衬底的第一表面上的区域，该区域的折射率小于衬底的折射率；以及
设置在该区域上的、平行、细长的元件阵列；并且
其中该阵列具有一种结构并且该元件具有一定尺寸，其与衬底结合正常情况下在可见光谱范围内产生谐振效应；其中该具有比衬底折射率低的折射率的区域导致正常发生的谐振效应向更短波长移动，从而扩展了没有谐振效应发生的可见波长带。
2.如权利要求1所述的偏振器，其中该元件的周期处于近似半个可见光波长与两倍可见光波长之间。
3.如权利要求1所述的偏振器，其中该元件的周期在大约0.076μm至1.4μm之间。
4.如权利要求1所述的偏振器，其中该区域的厚度在大约0.001至0.3μm之间。
5.如权利要求1所述的偏振器，其中该元件的厚度在大约0.04至0.3μm之间；并且其中该元件为铝或银。
6.如权利要求1所述的偏振器，其中该区域包括从衬底延伸的多条肋。
7.如权利要求6所述的偏振器，其中该肋与衬底成一个整体，并且该肋由与衬底相同的材料形成。
8.如权利要求6所述的偏振器，其中每条肋包括至少一层不同于衬底材料的材料。
9.如权利要求8所述的偏振器，其中该至少一层材料为氟化镁。
10.如权利要求9所述的偏振器，其中该至少一层的厚度在大约0.04至0.22μm之间。
11.如权利要求6所述的偏振器，其中该肋具有矩形截面。
12.如权利要求6所述的偏振器，其中该肋具有梯形截面。
13.如权利要求1所述的偏振器，其中该区域包括一层介电材料。
14.如权利要求13所述的偏振器，其中该层介电材料包括氟化镁。
15.如权利要求13所述的偏振器，其中该层厚度在大约0.001至0.3μm之间。
16.如权利要求1所述的偏振器，其中该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，而且多条肋形成于该至少一层中并且从该至少一层延伸。
17.如权利要求1所述的偏振器，其中该区域包括形成于该衬底中并从该衬底延伸的多条肋，而且多条肋中的每一条具有至少一层设置在其上的不同于肋材料的材料。
18.如权利要求1所述的偏振器，其中该衬底为玻璃，该区域包括氟化镁。
19.如权利要求1所述的偏振器，其中该衬底的折射率大约为1.5，该区域的折射率大约为1.4。
20.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和一折射率的透明衬底；
一由该衬底支承的平行、细长元件的阵列；和
一设置在该元件与衬底之间的区域，其折射率小于衬底的折射率并且厚度在大约0.001至0.3μm之间。
21.如权利要求20所述的偏振器，其中该元件阵列被配置成与可见光谱中光的电磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振态的光并透过大部分第二偏振态的光；并且其中该阵列具有一种结构而且该元件具有一种尺寸，以在可见光谱范围内正常地产生谐振效应，其中大量第二偏振态的光被反射而不是透射；其中该具有比衬底折射率低的折射率的区域导致正常发生的谐振效应向更短波长移动，从而扩展了没有谐振效应发生的可见波长带。
22.如权利要求20所述的偏振器，其中该元件的周期在大约0.076至0.2μm之间。
23.如权利要求20所述的偏振器，其中该元件的厚度在大约0.04至0.3μm之间；且其中该元件为铝或银。
24.如权利要求20所述的偏振器，其中该区域包括从衬底延伸的多条肋。
25.如权利要求24所述的偏振器，其中该肋与衬底成一个整体，并且由与衬底相同的材料形成。
26.如权利要求24所述的偏振器，其中每条肋包括至少一层不同于衬底材料的材料。
27.如权利要求26所述的偏振器，其中该至少一层材料为氟化镁。
28.如权利要求24所述的偏振器，其中该肋具有矩形截面。
29.如权利要求26所述的偏振器，其中该肋具有梯形截面。
30.如权利要求20所述的偏振器，其中该区域包括一个介电材料薄膜。
31.如权利要求30所述的偏振器，其中该介电材料薄膜包括氟化镁。
32.如权利要求20所述的偏振器，其中该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，而且多条肋形成于该至少一层中并从该至少一层延伸。
33.如权利要求20所述的偏振器，其中该区域包括多条形成于该衬底中并从该衬底延伸的肋，而且多条肋中的每一条均具有至少一层设置在其上的不同于肋材料的材料。
34.如权利要求20所述的偏振器，其中该衬底为玻璃，并且该区域包括氟化镁。
35.如权利要求20所述的偏振器，其中该衬底的折射率大约为1.5，该区域的折射率大约为1.4。
36.一种用于对宽带宽可见光进行偏振的装置，该装置包括：
一产生具有至少一个可见光谱范围内的波长的光束的光源；
一设置在该光束中的透明衬底，该透明衬底具有一第一表面和一折射率；
一平行、细长元件的阵列，其与该衬底的第一表面相结合；以及
一设置在该衬底的第一表面与元件之间的区域，该区域具有一小于衬底折射率的折射率；并且
其中该元件阵列被配置成与可见光谱中光的电磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振态的光并透过大部分第二偏振态的光；以及
其中该阵列具有一种结构，该元件具有一种尺寸，以与衬底相结合在可见光谱范围内正常地产生谐振效应，其中大量的第二偏振态的光被反射而不是透射；并且其中该具有比衬底折射率低的折射率的区域导致正常发生的谐振效应向更短波长移动，从而扩展了没有谐振发生的可见波长带。
37.如权利要求36所述的装置，其中该元件的周期近似为该可见光束波长的一半。
38.如权利要求36所述的装置，其中该元件的周期在大约0.19λ至0.5λ之间，其中λ为该光束的波长。
39.如权利要求36所述的装置，其中该区域的厚度在大约0.001至0.3μm之间。
40.如权利要求36所述的装置，其中该元件的厚度在大约0.04至0.3μm之间；其中该元件为铝或银。
41.如权利要求36所述的装置，其中该区域包括多个从衬底延伸的肋。
42.如权利要求41所述的装置，其中该肋与衬底成一个整体，并且由与衬底相同的材料形成。
43.如权利要求41所述的装置，其中每条肋包括至少一层不同于衬底材料的材料。
44.如权利要求43所述的装置，其中该至少一层材料为氟化镁。
45.如权利要求41所述的装置，其中该肋具有矩形截面。
46.如权利要求41所述的装置，其中该肋具有梯形截面。
47.如权利要求36所述装置，其中该区域包括一介电材料薄膜。
48.如权利要求47所述的装置，其中该介电材料薄膜包括氟化镁。
49.如权利要求36所述的装置，其中该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，并且多条肋形成于该至少一层中并从该至少一层延伸。
50.如权利要求36所述的装置，其中该区域包括形成于该衬底中并从衬底延伸的多条肋，多条肋中的每一条均具有至少一层设置在其上且与肋材料不同的材料。
51.如权利要求36所述的装置，其中该衬底为玻璃，该区域包括氟化镁。
52.如权利要求36所述的装置，其中该衬底的折射率为大约1.5，该区域的折射率为大约1.4。
53.一种宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有一第一表面和一折射率的透明衬底；
一由该衬底的第一表面支承的平行、细长元件的阵列，其中该阵列满足条件0.19λ≤p≤2λ，其中p为元件周期，λ为波长；以及
一设置在衬底第一表面与元件之间的区域，该区域具有一折射率和一处于衬底第一表面与元件之间的厚度，其中该区域满足条件：nR＜nS和0.001μm≤tR≤0.3μm，其中nR为该区域的有效折射率，nS为衬底的折射率，tR为衬底第一表面与元件之间的区域的厚度。
54.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器的制造方法，该方法包括：
提供一具有一第一表面和一折射率的透明衬底；
在该衬底的第一表面上形成一平行元件阵列，该元件限定一掩模；以及
蚀刻元件之间的衬底，以产生出从衬底延伸的肋，且限定一折射率小于衬底折射率的区域。
55.如权利要求54所述的方法，还包括在形成元件之前在第一表面上沉积一层介电薄膜；并且其中对衬底的蚀刻还包括蚀刻元件之间的薄膜。
56.如权利要求54所述的方法，其中形成平行元件阵列包括形成周期在大约0.076至0.2μm之间的元件。
57.如权利要求54所述的方法，其中蚀刻该衬底包括将衬底蚀刻一大约0.001至0.3μm之间的深度。
58.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器的制造方法，该方法包括：
提供一具有一第一表面和一折射率的透明衬底；
在第一表面上沉积一层介电薄膜，该介电薄膜的折射率小于衬底的折射率；
在该层介电薄膜上形成一平行元件的阵列；以及
蚀刻元件之间的介电薄膜层以产生肋。
59.如权利要求58所述的方法，其中蚀刻介电薄膜层还包括蚀刻元件之间的衬底。
60.如权利要求58所述的方法，其中沉积介电薄膜层包括沉积一层氟化镁。
61.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有一蚀刻表面的衬底，形成从衬底延伸的多条肋；以及
一设置在肋上的平行、细长元件的阵列。
62.如权利要求61所述的偏振器，其中该衬底被蚀刻大约0.04至0.3μm之间的深度。
63.如权利要求61所述的偏振器，其中该元件周期在大约0.076至1.4μm之间。
64.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和一折射率的透明衬底；
一由衬底支承的平行、细长元件的阵列，该元件的厚度在大约0.04至0.3μm之间，该元件为铝或银；以及
一设置在元件与衬底之间的区域，该区域的折射率低于衬底的折射率。
65.如权利要求64所述偏振器，其中该元件阵列被配置成与可见光谱中的光的电磁波相互作用，以通常反射大部分第一偏振态的光并透射大部分第二偏振态的光；其中该阵列具有一种结构而且该元件具有一种尺寸，以在可见光谱范围内与衬底结合正常地产生谐振效应，其中大量第二偏振态的光被反射而不是透射；其中具有低于衬底折射率的该区域导致正常发生的谐振效应向更短波长移动，从而扩展了没有谐振效应发生的可见波长带。
66.如权利要求64所述的偏振器，其中该元件周期在大约0.076至0.2μm之间。
67.如权利要求64所述的偏振器，其中该区域厚度在大约0.001至0.3μm之间。
68.如权利要求64所述的偏振器，其中该区域包括多条从衬底延伸的肋。
69.如权利要求68所述的偏振器，其中该肋与衬底成一个整体，并且由与衬底相同的材料形成。
70.如权利要求68所述的偏振器，其中每条肋包括至少一层不同于衬底材料的材料。
71.如权利要求70所述的偏振器，其中该至少一层材料为氟化镁。
72.如权利要求68所述的偏振器，其中该肋具有矩形截面。
73.如权利要求68所述的偏振器，其中该肋具有梯形截面。
74.如权利要求64所述的偏振器，其中该区域包括一介电材料薄膜。
75.如权利要求74所述的偏振器，其中该介电材料薄膜包括氟化镁。
76.如权利要求64所述的偏振器，其中该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，而且多条肋形成于该至少一层中并从该至少一层延伸。
77.如权利要求64所述的偏振器，其中该区域包括多条形成于该衬底中并从衬底延伸的肋，而且多条肋中的每一条均具有至少一层设置在其上并且不同于肋材料的材料。
78.如权利要求64所述的偏振器，其中该衬底为玻璃，该区域包括氟化镁。
79.如权利要求64所述的偏振器，其中该衬底的折射率大约为1.5，该区域的折射率大约为1.4。
80.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和一折射率的衬底；
一在该衬底的第一表面上的区域，该区域包括多个从衬底延伸的肋，并且该区域的折射率小于衬底的折射率；以及
一设置在该区域上的平行、细长元件的阵列。
81.如权利要求80所述的偏振器，其中该元件的周期在大约0.076至1.4μm之间。
82.如权利要求80所述的偏振器，其中该区域的厚度在大约0.001至0.3μm之间。
83.如权利要求80所述的偏振器，其中该元件的厚度在大约0.04至0.3μm之间；其中该元件为铝或银。
84.如权利要求80所述的偏振器，其中该肋与衬底成一个整体，并且由与衬底相同的材料形成。
85.如权利要求80所述的偏振器，其中每条肋包括至少一层不同于衬底材料的材料。
86.如权利要求85所述的偏振器，其中该至少一层材料为氟化镁。
87.如权利要求80所述的偏振器，其中该肋具有矩形截面。
88.如权利要求80所述的偏振器，其中该肋具有梯形表面。
89.如权利要求80所述的偏振器，其中该区域包括一层介电材料。
90.如权利要求89所述的偏振器，其中该介电材料层包括氟化镁。
91.如权利要求80所述的偏振器，其中该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，而且多条肋形成于该至少一层中并从该至少一层延伸。
92.如权利要求80所述的偏振器，其中该区域包括多条形成于该衬底中并从衬底延伸的肋，而且多条肋中的每一条具有设置在其上的至少一层不同于肋材料的材料。
93.如权利要求80所述的偏振器，其中该衬底为玻璃，该区域包括氟化镁。
94.如权利要求80所述的偏振器，其中该衬底的折射率大约为1.5，该区域的折射率大约为1.4。
95.一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和一折射率的衬底；
在该衬底的第一表面上的一区域，该区域的折射率小于衬底的折射率，该区域包括至少一层不同于衬底材料的材料，以及多条形成于该薄膜层中并从薄膜层延伸的肋；以及
一设置在该区域上的平行、细长元件的阵列。
96.  一种用于可见光谱的宽带线栅偏振器，该偏振器包括：
一具有第一表面和一折射率的衬底；
一处于该衬底第一表面上的区域，该区域的折射率小于衬底的折射率，并且具有多条形成于该衬底中并从衬底延伸的肋；
设置在多条肋中每一条上的至少一层不同于肋材料的材料；以及
一设置在该区域上的平行、细长元件的阵列。
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