深紫外波段亚波长金属光栅的反转偏振特性研究

Subwavelength polarizing device is a research focus in optics field for the past few years. It is a micro-nano artificial structure,which is made of optically isotropic materials,such as traditional dielectric or metal,that exhibits highly anisotropic properties. The properties do not originate from its consisting material, but its subwavelength structure. The birefringence of subwavelength device is several orders of magnitude higher than that of natural crystals. As a high-quality polarizing device, its working band ranges from microwave to visible light. However, in the deep ultraviolet (DUV) band (100～200nm), the traditional subwavelength device with very fine grid of metal wires (say, with period<20nm) has to be used, which makes the fabrication extremely difficult or even impossible with current technology.Thus,in this project, we plan to investigate an inverse polarizer working in DUV band with its period close to the incident wavelength. Based on our pilot studies, we will try to reveal the underlying physics of inverse polarizing effects of subwavelength metallic gratngs in DUV band and seek for an effective approach to reduce the energy loss. By using the standard micro-nano fabrication technology, we aim to develope an inverse polarizer with polarization extinction ratio better than 100:1 in DUV band. The prospect of this project is to develop a highly integrated polarizing device, serving DUV optoelectronic system.

亚波长偏振器件是近年来国际光学领域的一个研究热点，它是指由光学各向同性物质（如传统介质和金属）组成但整体表现出强烈光学各向异性的微纳人造结构，其偏振特性源于结构的亚波长性，而非组成材料本身。亚波长结构的双折射率较自然双折射晶体提高了几个数量级，其作为高质量的偏振器件，适用波段从微波一直扩展到可见光。然而对于深紫外波段(100<λ<200nm)，传统亚波长偏振器件因其设计周期需远小于入射光波长（d<20nm），远超出现有微纳制作水平（d～100nm）而无法被实际制作出来。为此，本课题研究作用于深紫外波段并且周期接近入射光波长的反转偏振金属光栅，在前期研究基础上对金属光栅在该波段出现反转偏振透射的机理展开系统性研究，并探索有效降低器件透射损耗的方法。利用现有标准微纳工艺，争取研制出偏振消光比优于100:1的反转偏振片。该项目的研究前景是发展出一类新型高集成度偏振调控器件，服务于深紫外光电系统。

亚波长偏振器件是近年来国际光学领域的一个研究热点，其偏振特性源于结构的亚波长性，而非组成材料本身。相比于天然晶体，亚波长结构的双折射率提高了几个数量级，其作为高质量的偏振器件，适用波段从微波一直扩展到可见光。然而对于深紫外波段(100<λ<200nm)，传统亚波长偏振器件因其设计周期需远小于入射光波长（d<20nm），远超出现有微纳制作水平而无法被实际制作出来。本课题研究作用于深紫外波段的亚波长偏振金属光栅，对金属光栅在该波段出现反转偏振透射的机理进行了系统性研究，并利用现有标准微纳工艺，研制出周期略小于深紫外波长（d～180nm）的共振光栅。取得的主要研究成果归纳为以下三个方面：.1..适用于深紫外波段的反转偏振金属光栅：基于光栅对TM入射光的表面等离子体共振（SPR）效应，我们通过优化光栅结构参数，设计并制作了一周期（176 nm）略小于深紫外波长的反转偏振光栅。在深紫外波段，首次实现反转偏振透射。随后，我们利用原子层镀膜技术(ALD)在光栅缝中共形填充了衬底介质-SiO2，通过增强导波模共振使TE光的平均透过率提高了40%..2..反转偏振机理研究：光波入射到亚波长金属光栅的表面，会激发出一系列由光栅结构所支持的模态。模态的传播常数、振幅和场分布与光栅的周期、缝宽、栅层高度及所选材料等密切相关。我们通过研究发现：当金属光栅的周期等于其界面处表面等离子体(SPs)波长的整数倍时，即p=mλ，TM入射光会因SPR共振而转换成SPs，在界面处发生反射和吸收；而TE光则因导波模共振发生透射，从而在深紫外波段实现反转偏振透射。.3..深紫外表面等离子体干涉光刻：考虑到SPs的波长小于激发光波长，如果我们能够利用SPs代替入射激光进行干涉光刻，就能够打破衍射受限，获得更小的光刻特征尺寸。基于上述观点，我们设计了针对193 nm波长的表面等离子体干涉光刻装置：利用相向传播的SPs生成干涉条纹，干涉线宽小于15 nm，为入射波长的1/13。.在项目研究期间，课题组成员发表文章10篇，其中多篇论文在Applied Physics Letters、ACS Applied Materials & Interfaces等顶级期刊上发表；申请国家发明专利1项；培养博士生2名、硕士生1名，其中1名博士已毕业并获得“北京理工大学校级优秀博士论文”。