一种偏振元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种偏振元件及其制备方法，偏振元件由基底及基底上所沉积的高低折射率膜堆组成，其中高折射率材料或/和低折射率材料为通过特殊蒸镀方法实现各向异性特性的材料，从而使得在不同偏振态入射下实现高透射或高反射。本发明专利技术的偏振元件，与目前主要的偏振元件不同，它结合了高低折射率薄膜的折射率分布差异特性，利用倾斜蒸镀等方法实现关键膜层的各向异性特性，从而使得不同偏振条件下，整个膜堆有不同的光谱响应，即优良的偏振分束效果。该偏振元件只需调整薄膜沉积的工艺以及材料或厚度即可实现。本发明专利技术偏振元件，制备方法步骤简单，便于大规模、批量化生产。因此该发明专利技术有望在显示、成像、探测等领域广泛应用。

A polarization element and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种偏振元件及其制备方法
本专利技术涉及一种光学元件，具体涉及一种偏振分束元件及其制备方法，可应用于显示、成像、探测等领域。
技术介绍
光的偏振是光的重要属性之一，可以分为偏振光、部分偏振光和自然光。光矢量的方向和大小按一定规律变化的称为偏振光：(1)方向不变，大小随相位变化的是线偏振光；(2)大小不变，方向规则变化，端点轨迹为圆的是圆偏振光；(3)大小和方向均规则变化，端点轨迹为椭圆的是椭圆偏振光。自然界中，自然环境下的普通光源一般为自然光。而在某一个方向上振动比其他方向占优势的是部分偏振光。在消费电子产品(显示设备等)、光学仪器等应用中，线偏振光是常用的偏振形式。偏振分束元件是这些应用中不可或缺的偏振态控制元件，用来分离不同的偏振光，例如p偏振光和s偏振光。目前常用的偏振分束元件有吸收型薄膜偏振分束器、晶体偏振分束器、金属线栅偏振分束器、波状多层膜(二维光子晶体)偏振分束器、3M公司的多层干涉偏振分束器(DBEF:DualBrightnessEnhancedFilm)、干涉型光学薄膜偏振分束器。这些偏振分束器实现：反射s-偏振光，透射p-偏振光；透射反射各50％的入射光，从而实现不同偏振的光分成几乎相同的两束光。上述偏振分束元件中，金属线栅偏振分束器、多层干涉偏振分束器和波状多层膜偏振分束器在垂直入射情况下使用。在显示领域，尤其是平板显示中，反射偏振器将入射光分成p偏振光和s偏振光，并允许p偏振光透过，s偏振光反射，从而大大增加入射光能量的使用效率。目前，3M公司的多层干涉偏振分束器是平板显示中最主要的偏振器件。
技术实现思路
本专利技术提供了一种偏振元件，该偏振元件结构简单，只需在基底上沉积相应的具有特定各向异性材料的膜系即可，其分束消光比与现有产品相当，且性能稳定，环境友好。本专利技术还提供了一种偏振元件及其制备方法，该方法将只需使用到真空沉积技术，避免了电子束曝光、激光直写或者纳米压印等复杂技术，整个方法步骤简单，适于工业化生产，大面积制备。一种偏振元件，包括：基底；依次沉淀在基底上的一个或多个高低折射率膜堆；每个高低折射率膜堆由若干高折射率膜层和低折射率膜层交替叠堆，其中高折射率膜层和低折射率膜层中至少有一层为各向异性膜层；所有膜层对某一特定方向的偏振光折射率相等。本专利技术的偏振元件由基底及基底上所沉积的高低折射率膜堆组成，其中高折射率材料或/和低折射率材料为通过特殊蒸镀方法实现各向异性特性的材料，从而使得在不同偏振态入射下实现高透射或高反射。具体的，三种高低折射率膜堆分别为各向同性低折射率/各向异性高折射率膜堆，各向同性高折射率/各向异性低折射率膜堆，各向异性低折射率/各向异性高折射率膜堆。各向同性折射率材料由传统物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、溶液法制备致密填充薄膜实现，各个偏振方向入射，材料折射率均相同。各向异性高/低折射率材料由倾斜蒸镀物理气相沉积、倾斜蒸镀化学气相沉积、溶液法通过构造ZIG-ZAG形状等非致密填充薄膜实现，不同偏振方向入射，材料折射率不同。作为优选，上述各向同性材料膜层、向异性材料膜层均可采用倾斜蒸镀物理气相沉积制作，在制备向同性材料膜层时，样品台法线与蒸发源法线夹角为θ＝0°。各向异性膜层由倾斜蒸镀物理气相沉积法制备得到，样品台法线与蒸发源法线夹角为60°～70°。倾斜蒸镀物理气相沉积方法可以对沉积薄膜致密度进行调制，从而影响薄膜的折射率，使其与相应膜层匹配。倾斜蒸镀物理气相沉积可以明显增大沉积薄膜的折射率调控范围。一般情况下，任一光束均可看做两个方向偏振光的组合，为描述方便，本专利技术将两个方向的偏振光分别定义为：第一方向偏振光和第二方向偏振光组成，并定义所有特定方向的偏振光为第一方向偏振光。所有膜层对某一特定方向的偏振光折射率相等或者相近(比如两者的折射率差值小于0.3或者0.5)。对于第二方向偏振光，高折射率膜层的折射率必然大于低折射率膜层的折射率。第二方向偏振光为反射目标偏振光，第一方向偏振光为透射目标偏振光，可以根据需要，选择合适的膜层材料，实现对各角度偏振光的获取。本专利技术中，基底可选自K9玻璃、紫外熔融石英、硒化锌、ZF52等玻璃或PET、PMMA、PC、PI、PS等聚合物塑料。所述基底对光束的折射率可以选择与高折射率膜层或低折射率膜层的折射率相等，也可以不等。作为优选，所述基底的折射率与膜层对第一方向偏振光的折射率相同。本专利技术中，高折射率膜层厚度为λ0/(4nH2)，低折射率膜层厚度为λ0/(4nL2)，nH2为高折射率膜层对第二方向偏振光的折射率，nL2为低折射率膜层对第二方向偏振光的折射率，λ0为对应膜堆的参考波长。本专利技术中，根据目标折射带宽要求，可以选择单一中心波长(又叫参考波长)的膜堆结构。针对目标带宽(或者工作带宽)要求较高的场合，也可以选择多个相邻中心波长的膜堆叠加而成。比如将三个中心波长分别为700nm、800nm、900nm的膜堆叠加，则可分别得到650nm～750nm，750nm～850nm，850～950nm的第二方向偏振光反射带的叠加，从而实现630nm～1010nm宽波段第二方向偏振高反射效果。作为优选，高低折射率膜堆数量为1～20个，当膜堆数量大于1时，相邻两个膜堆之间设有各向同性的间隔层，间隔层为高折射率膜层材料或者低折射率膜层材料，且与相邻的膜层材料不同；间隔层厚度为λ12/(4n12)，其中λ12为相邻两个膜堆的参考波长的平均值。作为优选，每个高低折射率膜堆中膜层数为3～201层。作为优选，所有膜层均经过高温退火或快速退火处理。我们可以发现，高温退火后处理可以对薄膜的各向异性有重要影响，经过高温退火处理后，其折射率差可以显著增大，比未处理薄膜增大一倍，因此，可以通过高温退火等热处理方法得到本专利技术偏振元件所需的较大各向异性特性。以p偏振光和s偏振光，s偏振光为折射目标偏振光为例，对上述技术方案做进一步说明，本专利技术的技术方案可以包括如下三种情形：各向同性低折射率/各向异性高折射率膜堆中，各向同性低折射率材料折射率nL，各向异性高折射率材料p偏振光折射率nHp，各向异性高折射率材料s偏振光折射率nHs。需满足p偏振入射时，nL＝nHp，两材料无界面反射，高透射通过；s偏振入射时，nHs>nL，每一层厚度为λ0/4(λ0是参考波长)，形成规整四分之一波长膜堆，高反射。单膜堆(单一中心波长λ0)，s偏振高反射带宽较窄；因此若需展宽s偏振反射膜堆，可堆叠不同中心波长(λ1，λ2，λ3等)的膜堆。此处，p偏振和s偏振可互换(即也可以选择p偏振光为反射目标偏振光)，且两偏振方向不局限在p或s偏振方向(可以为任意其他方向两个偏振光)。各向同性高折射率/各向异性低折射率膜堆中，各向同性高折射率材料折射率nH，各向异性低折射率材料p偏振光折射率nLp，各向异性高折射率材料s偏振光折射率nLs。需满足p偏振入射时，nH＝nLp，两材料无界面反射，高透射通过；s偏振入射时，nLs<nH，每一层厚度为λ0/4(λ0是参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振元件，其特征在于，包括：/n基底；/n依次沉淀在基底上的一个或多个高低折射率膜堆；/n每个高低折射率膜堆由若干高折射率膜层和低折射率膜层交替叠堆，其中高折射率膜层和低折射率膜层中至少有一层为各向异性膜层；/n所有膜层对某一特定方向的偏振光折射率相等。/n

【技术特征摘要】
1.一种偏振元件，其特征在于，包括：
基底；
依次沉淀在基底上的一个或多个高低折射率膜堆；
每个高低折射率膜堆由若干高折射率膜层和低折射率膜层交替叠堆，其中高折射率膜层和低折射率膜层中至少有一层为各向异性膜层；
所有膜层对某一特定方向的偏振光折射率相等。


2.根据权利要求1所述的偏振元件，其特征在于，定义任一光束由第一方向偏振光和第二方向偏振光组成，所有特定方向的偏振光为第一方向偏振光。


3.根据权利要求2所述的偏振元件，其特征在于，所述基底的折射率与膜层对第一方向偏振光的折射率相同或相近。


4.根据权利要求2所述的偏振元件，其特征在于，高折射率膜层厚度为λ0/(4nH2)，低折射率膜层厚度为λ0/(4nL2)，nH2为高折射率膜层对第二方向偏振光的折射率，nL2为低折射率膜层对第二方向偏振光的折射率，λ0为对应膜堆的参考波长。


5.根据权利要求1所述的偏振元件，其特征在于，高低折射率膜堆数量为1～20个，当膜堆数量大于1时，相邻两个膜堆之间设有各向同性的间隔层，间隔层为高折射率膜层材料或者低折射率膜层材料，且与相邻的膜层材料不同；间隔层厚度为λ12/(4n...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨陈楹，沈伟东，
申请(专利权)人：杭州灯之塔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33