可見光寬入射角度金屬偏振分束光柵的消光比特性研究

孫國斌，張錦，季雪淞，胡馳，蔣世磊，劉嚴(yán)嚴(yán)

（1 西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021）

（2 電磁空間安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308）

0 引言

偏振分束器是偏振光學(xué)系統(tǒng)中的重要器件之一，能夠快速高效地改變光的偏振特性，或者利用光的偏振特性進(jìn)行一些物理參量的測(cè)試、信息的記錄以及特定光學(xué)現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)等。傳統(tǒng)的偏振分束器多基于雙折射晶體［1］和薄膜偏振分束器［2］，但雙折射晶體價(jià)格較昂貴，體積大，且對(duì)入射角度敏感，從而限制了其在光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用；薄膜偏振光柵由于薄膜結(jié)構(gòu)在空氣中易氧化，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，且工作帶寬也較小。近年來，隨著離子束刻蝕、光刻、電子束曝光等微電子工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)元件表面微納結(jié)構(gòu)得以加工制作實(shí)現(xiàn)，通過在器件基底材料表面制作微納光柵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光電子器件的偏振［3］、抗反射［4］、窄帶濾波［5］、衍射增強(qiáng)［6］等多種特殊功能，其中偏振功能的主要原理是利用一維亞波長周期型光柵結(jié)構(gòu)對(duì)光波的偏振方向敏感的特性，即一維亞波長光柵對(duì)TE 和TM 偏振光具有不同等效光學(xué)性質(zhì)，也稱為形式雙折射特性［7］。

目前，在一維亞波長結(jié)構(gòu)光學(xué)特性研究領(lǐng)域中，研究人員多采用等效介質(zhì)理論和嚴(yán)格耦合波理論去分析各種結(jié)構(gòu)的偏振分束特性，通過調(diào)整占空比、周期和波長的大小，得到結(jié)構(gòu)在入射和透射介質(zhì)之間的任意等效折射率值，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)介質(zhì)薄膜因種類不全導(dǎo)致折射率受限的缺點(diǎn)［8］。單層亞波長金屬鋁光柵［9］實(shí)現(xiàn)了在入射角-30°～30°和0.47～0.8 μm 寬波譜內(nèi)實(shí)現(xiàn)TM 高透和TE 高反，但衍射效率低于90%，對(duì)光的損耗較大；雙層亞波長金屬光柵［10］實(shí)現(xiàn)了在中心波長0.51 μm 處TM 偏振光的透射率僅為71%；雙層堆棧結(jié)構(gòu)偏振分束器具有較大的入射角度容差，但其工作帶寬較窄且消光比相對(duì)較低；夾層嵌入式金屬光柵［11］在-27°～27°和0.747～0.854 μm 波段范圍內(nèi)，光柵透射和反射消光比都大于20 dB，但波段變化范圍較小；雙周期結(jié)構(gòu)的金屬光柵［12］在1～3 μm 的波長范圍內(nèi)可獲得較高的偏振衍射效率，但其工藝制備要求比較嚴(yán)格。

為獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，適用于AR 顯示組件寬入射角度高消光比偏振分束要求的偏振分束器，本文針對(duì)可見光波段設(shè)計(jì)了一種寬角度亞波長金屬偏振分束光柵結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是微納米量級(jí)，標(biāo)量衍射理論的近似條件不再適用［13］，因此本文研究采用等效介質(zhì)理論定性分析金屬光柵偏振分束器的基本原理，然后利用基于麥克斯韋方程組的時(shí)域有限差分法（Finite-difference Time-domain，F(xiàn)DTD）和嚴(yán)格耦合波理論（Rigorous Coupled-wave Analysis，RCWA）仿真計(jì)算并詳細(xì)分析不同光柵周期、高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及光束波長和入射角度對(duì)光柵偏振特性的影響，并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了制作與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 理論分析

1.1 等效介質(zhì)理論

當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)周期小于入射光波長λ（P?λ）時(shí)，這類光柵稱為亞波長光柵，亞波長金屬光柵的衍射場(chǎng)只有0 級(jí)衍射，其他級(jí)次均為倏逝波。入射光波的TE 偏振分量平行于光柵刻槽，光柵對(duì)于TE 偏振光具有高反射特性；入射光波的TM 偏振分量垂直于光柵刻槽，光柵對(duì)于TM 偏振光具有高透過特性。根據(jù)等效介質(zhì)理論，亞波長金屬光柵對(duì)入射光的偏振特性等效為雙折射效應(yīng)［14］，其中TE 和TM 偏振光的一階近似等效折射率可分別表示為

TE 和TM 偏振光的二階近似等效折射率可分別表示為

式中，n1為光柵槽的折射率，即為空氣折射率，其值為1.0；n2為光柵脊的折射率；P為光柵周期；f為光柵的占空比；λ為入射光波長。

不同金屬材料表現(xiàn)不同的偏振特性，由于鋁材料價(jià)格合理，且有良好的金屬薄膜特性，故選用鋁作為金屬光柵脊材料。金屬材料的折射率為n=n′+ik，將金屬鋁折射率帶入到式（3）和（4）中，分別計(jì)算得出TE 和TM 波入射到金屬光柵的等效折射率，如圖1。固定占空比f為0.5，從圖1 可以看出，在可見光波段0.4～0.7 μm，對(duì)于TE 波，等效折射率的虛部明顯大于實(shí)部，因而亞波長金屬AL 光柵對(duì)TE 波表現(xiàn)為金屬特性，有較高的反射性質(zhì)；對(duì)于TM 波的等效折射率，折射率虛部相對(duì)TE 波折射率虛部較小，因而亞波長金屬光柵對(duì)TM 波表現(xiàn)為介質(zhì)特性，有較高的透射性質(zhì)，很少部分的光被反射掉［14］。同時(shí)從圖1 看出，對(duì)于亞波長光柵，入射波長在0.40～0.56 μm 之間，TE 和TM 波等效折射率的實(shí)部均小于1，其對(duì)應(yīng)的布儒斯特角的值應(yīng)小于45°；在0.56～0.70 μm 之間，TE 和TM 波的等效折射率的實(shí)部均大于1，布儒斯特角的值應(yīng)大于45°。

圖1 Al 金屬光柵等效折射率隨波長的變化曲線Fig.1 Curve of equivalent refractive index of Al metal grating with wavelength

1.2 嚴(yán)格耦合波理論

嚴(yán)格耦合波理論（RCWA）是將光柵層的介電常數(shù)利用傅里葉級(jí)數(shù)展開，推導(dǎo)出耦合波微分方程組；在不同區(qū)域邊界上運(yùn)用電磁場(chǎng)邊界條件，采用矩陣法求解各個(gè)衍射級(jí)次的振幅和衍射效率［9，15］。對(duì)于TM 偏振光入射，光柵的反射和透射衍射效率可表示為

對(duì)于TE 偏振光入射，光柵的反射和透射衍射效率可表示為

式中，Ri和Ti為第i級(jí)反射和透射的歸一化電場(chǎng)振幅，Ri*和Ti*分別為Ri和Ti的共軛，k0為波矢，k1，zi，k2，zi為相位匹配常數(shù)，即，k1，zi和k2，zi只能取正實(shí)數(shù)或負(fù)虛數(shù)，kxi=k0|n0sinθ-i(λ0/P)|，P為光柵周期，λ0為入射光波長。

1.3 時(shí)域有限差分法

采用基于麥克斯韋方程組的時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)硅柵及金屬介質(zhì)組合構(gòu)成的一維光柵結(jié)構(gòu)偏振性能進(jìn)行研究［15］，該方法計(jì)算精度高，尤其是可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬研究。該方法主要原理為將光柵微結(jié)構(gòu)特征單元進(jìn)行空間和時(shí)間網(wǎng)格化，利用麥克斯韋方程組進(jìn)行二階差分求解，在直角坐標(biāo)系可表達(dá)為式（7）與（8），通過給定所要計(jì)算的電磁目標(biāo)的初始值和邊界條件便能夠逐步推進(jìn)得到各個(gè)時(shí)刻的空間各點(diǎn)的電磁場(chǎng)的值，從而得到光柵衍射場(chǎng)內(nèi)各位置的透射、反射和吸收歸一化光強(qiáng)分布情況。

式中，Ex、Ey、Ez分別為電場(chǎng)強(qiáng)度的三個(gè)分量，Hx、Hy、Hz分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度的三個(gè)分量；ε為相對(duì)介電常數(shù)；σe為電導(dǎo)率；σm為等效磁阻率。

1.4 結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的金屬偏振分束光柵結(jié)構(gòu)模型如圖2。該結(jié)構(gòu)包括SiO2玻璃基底和鋁金屬光柵脊，結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)是z方向即沿光柵高度H方向，x方向和y方向分別是垂直于光柵刻槽和平行于光柵刻槽的方向，其中光柵線寬為L，周期為P，占空比為f（即f=L/P），光柵脊高度為H，入射光為一束平面波，以一定角度入射到金屬光柵結(jié)構(gòu)表面。

圖2 金屬偏振分束光柵結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of metal polarization beam splitting grating

決定光柵衍射性能的主要參數(shù)是光柵線寬、周期和光柵脊高度。當(dāng)光柵周期大于入射波長時(shí)，光柵有很多衍射級(jí)次，不能作為偏振分束器件來使用；當(dāng)光柵周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射波長時(shí)，光柵只產(chǎn)生零級(jí)衍射波，并且具有很強(qiáng)的偏振分光特性，光柵會(huì)有很好的分束性能［16］。因此若想要入射光在光柵零級(jí)衍射級(jí)發(fā)生偏振分束現(xiàn)象，必須滿足一定的衍射條件。光柵只存在零級(jí)不存在其他高級(jí)衍射波的條件為

式中，P為光柵周期，λ為入射光的入射波長，n2為光柵脊折射率，選用金屬Al，θ為入射角度。

當(dāng)入射光波長為0.632 8 μm，光柵脊折射率n2=1.37，45°入射時(shí)，根據(jù)式（8）可得，光柵臨界周期P≈0.29 μm。因此要使設(shè)計(jì)的光柵只在零級(jí)衍射波包含光能量，在其他級(jí)次不包含光能量，必須使光柵周期小于臨界周期，即小于0.29 μm。在零級(jí)衍射級(jí)次上，通過計(jì)算TE 和TM 波的透射和反射衍射效率［17］，最后得到的透射消光比TC和反射消光比RC分別表示為

2 數(shù)值模擬與分析

金屬光柵具有復(fù)折射率，F(xiàn)DTD 軟件金屬材料數(shù)據(jù)庫內(nèi)有準(zhǔn)確的復(fù)折射率系數(shù)，仿真計(jì)算會(huì)更加可靠。因此，在等效介質(zhì)理論定性的分析基礎(chǔ)上，采用基于麥克斯韋方程組的時(shí)域有限差分法（FDTD）和嚴(yán)格耦合波理論詳細(xì)分析討論光柵周期、光柵脊高度、入射波長以及入射角度對(duì)金屬光柵偏振分束性能的影響。FDTD 仿真模型如圖3，在進(jìn)行FDTD 仿真計(jì)算時(shí)，由于考慮到光柵結(jié)構(gòu)的周期性特點(diǎn)［15］，為減少運(yùn)算時(shí)間，以及避免因限制計(jì)算區(qū)域而人為引入虛擬邊界帶來的反射，將計(jì)算仿真結(jié)構(gòu)的單個(gè)單元區(qū)域垂直于入射光傳播方向的x軸、y軸邊界均設(shè)置為周期性邊界條件（Periodic），將平行于入射光傳播方向（z軸方向）的邊界設(shè)置為完美匹配層（Perfectly Matched Layer，PML），并設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)視器來監(jiān)視結(jié)構(gòu)陣列以獲得金屬光柵的反射率、透射率變化情況。

圖3 FDTD 數(shù)值仿真模型Fig.3 FDTD structure simulation model

2.1 光柵周期分析

當(dāng)光柵脊高度H=0.15 μm，占空比f=0.5，入射波長為0.632 8 μm，45°入射時(shí)，周期在0.04～0.36 μm 范圍內(nèi)以步長0.01 μm 遞增變化，利用FDTD 仿真計(jì)算金屬光柵衍射效率和消光比隨光柵周期變化關(guān)系，如圖4。從圖中可以看出，在光柵周期P<0.24 μm 時(shí)，TE 和TM 波衍射相對(duì)穩(wěn)定，TE 反射光的衍射效率大于90%，TM 透射光的衍射效率大于80%，同時(shí)，TE 波的透射衍射效率的和TM 波的反射衍射效率趨于零，透射消光比可達(dá)到26.5～75.1 dB，反射消光比可達(dá)到8.5～30 dB，因此透射和反射均有較好的偏振分束能力。在P=0.06 μm 時(shí)，反射和透射消光比可同時(shí)達(dá)到相對(duì)最大值，分別為28.0 dB 和75.1 dB；同時(shí)也可以看出，當(dāng)P接近0.29 μm，TM 波的反射和透射衍射效率發(fā)生突變，不再穩(wěn)定，光柵不再有良好的衍射特性，此時(shí)的光柵周期正好處于光柵的臨界周期。因此，采用FDTD 算法計(jì)算出的臨界周期與式（8）計(jì)算值吻合，并且在同一波長下，隨著周期增大，其反射和透射消光比減小，光柵偏振性能變差?？紤]到后續(xù)的加工制作，選擇周期為0.15 μm，占空比為0.5 的光柵參數(shù)。

圖4 光柵衍射效率和消光比隨光柵周期的變化曲線Fig.4 Curves of diffraction efficiency and extinction ratio with grating period

2.2 光柵脊高度分析

選擇周期P=0.15 μm，占空比f=0.5，當(dāng)入射波長為0.632 8 μm，45°入射時(shí)，光柵脊高度在0.02～0.2 μm范圍內(nèi)以步長0.01 μm 遞增變化，利用FDTD 仿真計(jì)算入射光經(jīng)過該金屬光柵結(jié)構(gòu)時(shí)的光場(chǎng)分布，得到光柵衍射效率和消光比隨金屬光柵脊高度變化的關(guān)系曲線，如圖5。光柵脊高度H在0.02～0.04 μm 變化范圍內(nèi)，TE 波和TM 波的零級(jí)反射與透射消光比隨光柵脊高度變化波動(dòng)較大；光柵脊高度H在0.04～0.2 μm 變化范圍內(nèi)，TE 波的反射衍射效率和TM 波的透射衍射效率波動(dòng)變化較為平穩(wěn)，并且分別大于89%和86%；同時(shí)，TE 的透射衍射效率的和TM 波的反射衍射效率衍射效率很小，當(dāng)H>0.158 μm 時(shí)，衍射效率接近于零。隨著光柵脊高度的遞增，反射消光比和透射消光比不斷提高，最高分別可達(dá)到30.2 dB 和58.4 dB。TE波的透射衍射效率和TM 波的反射衍射效率隨著光柵脊高度的增加會(huì)迅速減小，因此光柵反射和透射消光會(huì)不斷提高。在實(shí)際的應(yīng)用中，大深寬比的光柵難以加工，因此，不宜選擇過高的金屬脊，在保證消光較高的基礎(chǔ)上選取光柵脊高度為0.15 μm，即深寬比為2∶1 的金屬脊高度參數(shù)。

圖5 光柵衍射效率和消光比隨光柵脊高度的變化曲線Fig.5 Curve of diffraction efficiency and extinction ratio with the height of grating ridge

2.3 光柵入射角度分析

當(dāng)光柵脊高度H=0.15 μm，光柵周期P=0.15 μm，占空比f=0.5，入射波長分別取0.4、0.5、0.6、0.7 μm時(shí)，入射角度在0°～90°范圍內(nèi)以步長1°遞增變化，計(jì)算在不同入射波長情況下，光柵消光比隨入射角度的變化關(guān)系，如圖6。圖6（a）和6（b）分別是通過FDTD 算法和RCWA 計(jì)算得出的光柵消光比隨入射角度變化曲線?？梢钥闯觯ㄟ^FDTD 算法和RCWA 計(jì)算得出的光柵消光比曲線圖基本一致，并且在不同的入射波長下，透射消光比隨著入射角度的遞增均趨于平緩增加變化，但反射消光比除了入射波長為0.4 μm 外，在入射波長為0.5、0.6、0.7 μm 時(shí)，隨著入射角度的遞增呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)消光比極大值，相應(yīng)的極大值點(diǎn)分別為39°、52°、57°，極大值點(diǎn)隨著入射波長的遞增向后延遲。其原因是TM 波入射時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)對(duì)于該偏振光的反射率會(huì)等于零（或者接近于零），反射消光比會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值，則此時(shí)入射波的入射角為布儒斯特角。因此，當(dāng)入射波長為0.5 μm 時(shí)，金屬Al 光柵的等效折射率小于1，根據(jù)布儒斯特定律，當(dāng)neffn2時(shí)，結(jié)構(gòu)的布儒斯特角必須大于45°，且角度隨波長的增加而遞增。

圖6 不同算法下計(jì)算消光比隨入射角度的曲線變化Fig.6 Curves of extinction ratio with incident angle calculated by different algorithms

由此可見，該金屬光柵在入射角45°±10°對(duì)TE 和TM 波有很好的偏振分束能力，在較大的入射角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的偏振分束。

當(dāng)周期P=0.15 μm，H=0.15 μm，占空比f=0.5，通過FDTD 仿真模擬優(yōu)化，計(jì)算出在不同入射角度下，可見光寬波段范圍的光柵消光比曲線，如圖7（a）；再采用RCWA 算法計(jì)算出寬波段消光比曲線，如圖7（b）。可以看出，兩種不同算法計(jì)算出的光柵透射和反射消光比曲線圖基本一致，并且在不同的入射角度下，透射消光比隨著波長遞增均趨于平緩遞增變化趨勢(shì)，可到達(dá)33～48 dB 左右；反射消光比在不同的入射角度下隨入射波長變化均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反射消光比極大值，對(duì)應(yīng)的波長極大值點(diǎn)分別為0.48 μm、0.50 μm、0.53 μm、0.57 μm，反射消光比在入射波長0.48 ～0.65 μm 范圍內(nèi)，入射角度在35°～50°范圍內(nèi)均大于15 dB，在入射波長0.45～0.7 μm 范圍內(nèi)，入射角度在35°～55°均大于12 dB。由此可見，該金屬光柵在寬波段0.4～0.7 μm 對(duì)TE 和TM 波有很好的偏振分束能力，也在較大的入射角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的偏振分束。

圖7 不同算法下計(jì)算光柵消光比隨入射波長的變化曲線Fig.7 Curves of extinction ratio with incident wavelength calculated by different algorithms

結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的金屬偏振光柵在0 級(jí)衍射級(jí)次上對(duì)TM 波高透射，對(duì)TE 波高反射，并且在波長范圍為0.4～0.7 μm 和入射角范圍為45°±10°內(nèi)，光柵透射消光比和反射消光比都大于10 dB，滿足設(shè)計(jì)和制備高衍射效率、高消光比、寬波段大角度的金屬偏振光柵的要求。

3 偏振消光比特性測(cè)試

在LAMBDA950 分光光度計(jì)測(cè)試平臺(tái)上搭建寬波段偏振消光比測(cè)試裝置，如圖8 所示，測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)金屬光柵BS，全反射鏡M1 和M2，可旋轉(zhuǎn)的檢偏器P 等組成。透射消光比測(cè)試裝置示意如圖8（a），由分光光度計(jì)出射的測(cè)試光為自然偏振光，經(jīng)待測(cè)金屬光柵BS 和可旋轉(zhuǎn)檢偏器P 后由分光光度計(jì)的光電探測(cè)器接收。旋轉(zhuǎn)檢偏器，當(dāng)分光光度計(jì)探測(cè)到的光功率最大時(shí)，BS 透射光偏振方向與檢偏器透光軸平行，此時(shí)透過檢偏器P 的出射光是TM 波，測(cè)量得到的是BS 透射的TM 波反射率；旋轉(zhuǎn)檢偏器，當(dāng)分光光度計(jì)探測(cè)到的光功率最小時(shí)，此時(shí)透過檢偏器P 的出射光是TE 波，測(cè)量得到的是BS 透射的TE 波反射率；通過偏轉(zhuǎn)BS 改變?nèi)肷浣嵌?，分別記錄不同入射角度對(duì)應(yīng)的光譜透過率數(shù)據(jù)，根據(jù)式（9）計(jì)算得出透射消光比。同理，反射消光比測(cè)試裝置示意如圖8（b），分光光度計(jì)出射的測(cè)試光先經(jīng)過可旋檢偏器P，再經(jīng)過反射鏡M1 反射到待測(cè)金屬光柵BS 表面，反射后再經(jīng)過反射鏡M2，最后由光電探測(cè)器接收。旋轉(zhuǎn)起偏器，當(dāng)分光光度計(jì)探測(cè)到的功率最大時(shí)，BS 反射光的偏振方向與起偏器透光軸平行，此時(shí)測(cè)量得到的是BS 反射的TE 波反射率；當(dāng)分光光度計(jì)探測(cè)到的功率最小時(shí)，此時(shí)測(cè)量得到的是BS 反射的TM 波反射率；通過設(shè)置分光光度計(jì)入射角度改變BS 入射角度，分別記錄不同入射角度對(duì)應(yīng)的光譜透過率數(shù)據(jù)，由式（10）計(jì)算得出反射消光比。同理，搭建入射波長為0.632 8 μm 消光比測(cè)試裝置，如圖9 所示，光源采用氦氖激光器，激光光束經(jīng)過起偏器P1和1/4 波片后變?yōu)閳A偏振光并入射至待測(cè)金屬光柵BS 和檢偏器P2，利用激光功率計(jì)測(cè)量檢偏器出射光束的光功率值，通過偏轉(zhuǎn)BS 改變?nèi)肷浣嵌?，從而測(cè)得0.632 8 μm 波長處不同入射角度的透射消光比和反射消光比。

圖8 消光比測(cè)試裝置示意圖Fig.8 Extinction ratio test diagram

圖9 0.632 8 μm 消光比測(cè)試裝置示意圖Fig.9 Extinction ratio test diagram at 0.632 8 μm

使用搭建的寬波段偏振消光比測(cè)試裝置在0.4～0.7 μm 波段和45°±10°入射角范圍內(nèi)對(duì)占空比為0.5，周期為0.15 μm，光柵脊高度為0.15 μm 的金屬光柵進(jìn)行消光比性能測(cè)試。圖10 給出了測(cè)試過程中光柵透射和反射消光比隨波長變化的曲線圖，可以得出隨著波長在0.4～0.7 μm 范圍的變化，測(cè)試得到的消光比數(shù)據(jù)與FDTD 仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)更加接近，但在數(shù)值大小存在著一定的差異。圖11 給出了入射波長為0.632 8 μm 在不同入射角度下的消光比測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比曲線，可以看出在0.632 8 μm 處，反射消光比測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)和曲線趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本吻合，透射消光比測(cè)試結(jié)果曲線趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致，但是測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)值小于仿真結(jié)果。綜上，兩組測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果在曲線趨勢(shì)上基本一致，但是測(cè)試結(jié)果在數(shù)值上均存在一定的偏差，其原因主要有：在測(cè)試光路中，每經(jīng)過一個(gè)器件，光強(qiáng)會(huì)有一定程度的衰減，導(dǎo)致測(cè)試到的消光比都會(huì)有所衰減；起偏器或檢偏器精度不夠高；測(cè)試環(huán)境中還存在其他波長光的干擾；制作的光柵在結(jié)構(gòu)上存在缺陷等。

圖10 寬波段消光比測(cè)試曲線Fig.10 Extinction ratio test curve at broad wavelengths

圖11 入射波長為0.632 8 μm 的消光比測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of extinction ratio test and simulation with an incident wavelength of 0.632 8 μm

4 結(jié)論

本文利用等效介質(zhì)理論定性分析了金屬偏振分束光柵的折射率變化情況，然后基于時(shí)域有限差分法和嚴(yán)格耦合波理論設(shè)計(jì)了一種可見光波段的金屬光柵偏振分束器，并給出了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)Al 光柵占空比為0.5，周期為0.15 μm，光柵脊高度為0.15 μm 時(shí)，在0.4～0.7 μm 波段和45°±10°入射角范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)的金屬偏振光柵對(duì)TM 波高透射，對(duì)TE 波高反射，光柵透射消光比平均35 dB，反射消光比平均12 dB。對(duì)制作的金屬偏振光柵進(jìn)行消光比測(cè)量，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，為實(shí)現(xiàn)偏振器件在可見光寬波段、寬入射角度范圍、高消光比的偏振分束提供了一種新的方法。