TWI424205B - 具非均向性薄膜的低色差相位延遲器及其製作方法 - Google Patents

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Description

具非均向性薄膜的低色差相位延遲器及其製作方法
本發明關於光的相位延遲器(phase retarder)，或稱為波板(wave plate)，特別是利用非均向性(anisotropic)薄膜的低色差相位延遲器或波板。
波板，亦被稱之為相位延遲器，一般使用雙折射(birefringent)之非均向性(anisotropic)光學材料做成，光線在此非均向性材料之波板行進，其電場分量對應材料中兩個本徵偏極態(eigen-polarization states)分量，會使光線感受到該材料不同的折射率，稱為主軸折射率N1 與N2 ，進而使光線分為兩道不同折射角與波速的光線，若為垂直入射之光線，其折射角對兩道光而言皆為零度，然而兩本徵電場分量之震盪波速不同，以至於線性偏振光線在跨越波板後，會對兩電場分量產生相位差。對1/2或1/4波延遲的波板，兩垂直分量會出現π或π/2的相位差。對於四分之一(quarter)波板而言，它可以使線偏振態光束變成圓偏振態光束。
上述的相位差可表示為2π(N1 -N2 )d/λ，d為波板厚度，λ為入射光波長，由相位差可以看出其為波長之函數，若希望能在一波長範圍內產生一與波長無關的相位差，那麼(N1 -N2 )必須線性正比於波長((N1 -N2 )=aλ，a為一常數)。惟很難在自然界中找到主軸折射率差具備與波長正比特性的材料，2009年有學者發現在一種螳螂蝦的眼睛中具備在可見光範圍均勻延遲四分之一波的波板，知名期刊nature photonics以完美波板為名報導此一發現。
近來有學者提出以次波長光柵(Subwavelength grating)的結構來製作一可減少因波長變化所致相位延遲量變化的波板，惟其製作困難，目前僅有設計提出。
對稱膜堆(性質，與厚度對稱)(symmetrical film stack)，如膜層為ABA或ABCBA或ABCDCBA等奇數層膜堆。對稱膜堆之光學特性可等效為一具有折射率N與相厚度ψ的等效薄膜，相厚度的物理意義為光進入薄膜後所行進的波長量，或稱之光相位的變化量。對稱膜堆之等效折射率N與相厚度ψ為波長λ、組成薄膜中每層折射率、入射角、厚度的函數。若將此對稱膜堆重複m次，則等效之薄膜折射率仍為N，然相厚度ψ會増為原來的m倍(亦即mψ)。
本發明的目的之一，在提供具有至少一非均向性薄膜的相位延遲器，此相位延遲器能於廣波域的範圍具有相當均勻的相位延遲效果，此一效果又稱為低色差相位延遲。
本發明的目的可藉由結合一類對稱膜堆與非均向性薄膜的特性而達成。
結合非均向性材料與(類)對稱膜堆，本發明設計一多層(類)對稱膜系，該膜系可由均向膜與非均向膜(至少一非均向膜)組成，整體折射率對應兩偏極態(a,b)的偏極光，會有不同的折射率N函數Na 、Nb 以及mψ(相位延遲)函數。如標示為Na 與mψa ，Nb 與mψb ，該四者皆為每一層對應其偏極態(a或b)之波長、組成薄膜每層的折射率、入射角、厚度的函數，其中mψa 與mψb 函數可透過每層對應其偏極態(a或b)之波長與厚度的安排與優化，使函數mψa -mψb (相位延遲)在某一波域為定值或是接近定值的效果。
選擇性地，進一步可透過在該膜堆與入射介質之間或在膜堆與基板之間加入單層或多層(至少一層)的匹配膜，使得在相位延遲區域(如400-700nm間)保持均勻的透射率。如此，經過此波板後，兩偏極態(a,b)的偏極光有實質相同的光束強度。另一方法為微調變動對稱膜堆的厚度，亦可達到在相位延遲區域保持均勻透射率的效果。
根據一實施例，一種具非均向性薄膜的相位延遲器包含：一透明基板；與至少一(類)對稱性膜堆(pseudo symmetrical film stack)，堆疊於該透明基板上，該(類)對稱性膜堆包含奇數的薄膜，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜，相對於該中間層薄膜，其兩側的薄膜的性質成類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
關於方法的一實施例，一種製作具非均向性薄膜的相位延遲器之方法，包含：提供一透明基板；及於該透明基板上堆疊至少一對稱或類對稱性膜堆(pseudo symmetrical film stack)，該對稱或類對稱性膜堆包含奇數的薄膜，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜，相對於該中間層薄膜，其兩側的薄膜的性質成對稱或類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
如圖一所示，為本發明的一種具非均向性薄膜的相位延遲器10，包含一透明基板101與至少一對稱或類(pseudo)對稱性膜堆(film stack)103。該至少一(類)對稱性膜堆係堆疊於該透明基板101上，該(類)對稱性膜堆103包含奇數的薄膜，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜，相對於該中間層薄膜，其兩側的薄膜的性質成對稱或類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
如圖二所示，為類對稱性膜堆103的一個實施例，其包含膜層A’/膜層B/膜層A。關於膜層的性質，A’≒A(性質近似),或A’=A(性質相同)，其對應厚度d、d’近似，但也可以相同。薄膜A或A’為一非均向性薄膜，而薄膜B為一均向性薄膜。或者薄膜A或A’為一均向性薄膜，而薄膜B為一非均向性薄膜。當性質近似時，於此稱之為類對稱。
如圖三所示，為類對稱性膜堆103的另一個實施例，其中該類對稱性膜堆包含薄膜A’/薄膜B’/薄膜C’/薄膜D/薄膜C/薄膜A/薄膜B，薄膜D為該中間層薄膜，A’之性質≒A之性質(性質近似)或A’之性質=A之性質，B’之性質≒B之性質(性質近似)或B’之性質=B之性質，C’之性質≒C之性質(近似)或C’之性質=C之性質。當性質近似時，於此稱之為類對稱。
如圖四所示，為本發明的一種具非均向性薄膜的相位延遲器另一實施例40，該相位延遲器40除了透明基板401與至少一類對稱性膜堆(film stack)403外，進一步包含至少一匹配層405於該至少一類對稱性膜堆403上，該匹配層405係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，該匹配層405供光束入射，並進而進入該層化的相位延遲器40，該匹配層405使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
如圖五所示，為本發明的一種具非均向性薄膜的相位延遲器另一實施例50，該相位延遲器50除了透明基板501與至少一類對稱性膜堆(film stack)503外，進一步包含至少一匹配層505於該至少一類對稱性膜堆503與透明基板501間，該匹配層505係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，光束入射進入該層化的相位延遲器50，該匹配層505使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
實例說明
如圖一所示之具有多層非均向薄膜之波板，其中含對稱性膜堆A’BA(如圖二)可重複7次，故共有21層，其中薄膜表面為xy平面，法線方向為z方向，如圖一所示，薄膜A可利用交錯斜向沉積法，以Ta2 O5 為材料，沉積平面為xz平面，以對稱z軸並交錯以正負75角度的沉積角，每次沉積5nm厚度，製鍍出整體厚度為50nm的非均向薄膜，以入射光垂直入射薄膜為例，電磁波在非均向薄膜A中，當電場沿x方向震盪感受的折射率為1.443(NAx )，當電場沿y方向震盪感受的折射率為1.568(NAy )。
薄膜B為利用斜向沉積法，以Ta2 O5 為材料，沉積平面為yz平面，以對稱z軸並交錯以正68角度的沉積角，製鍍出整體厚度為143nm的非均向薄膜，以入射光垂直入射薄膜為例，電磁波在非均向薄膜B中，當電場沿x方向震盪感受的折射率為1.684(NBx )，當電場沿y方向震盪感受的折射率為1.638(NBy )。
此圖四例中，基板401為玻璃編號BK7之玻璃基板，在對稱膜堆403與入射介質空氣間加鍍一層折射率為1.457且厚度為34nm的SiO2 均向薄膜作為匹配層405。整個層化的波板Air/匹配層405/(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)(ABA)/BK7基板，對可見光所產生的相位延遲量(角度)在x方向為Ψx，在y方向為Ψy，相位延遲量對波長的變化情形如圖六所示。
如圖六所示，本發明的波板在可見光區域400nm至700nm具有相當均勻的相位延遲效果，其相位延遲角度(相位延遲量)平均為91.37度，在整個可見光區域400nm至700nm的變動量僅為±7.89度。
本發明的波板在可見光區域400nm至700nm，對線性偏極光(亦即，電場偏極角度與x-軸夾45度)通過後所轉換成的偏極光，以史托克(Stokes)參數(s0,s1,s2,s3)描述各種波長的光通過本發明的波板的偏極態光，如圖七所示。如習知技術所知，一組(s0,s1,s2,s3)值定義一橢圓偏極光，不同的(s0,s1,s2,s3)值對應不同的橢圓偏極光。而由圖七可見，在不同的波長，(s0,s1,s2,s3)值幾乎都相同，因此，該波板元件確實可均勻地改變為實質相同的橢圓偏極光。
瞭解了本發明的相位延遲器後，以下敘述本發明中的方法。
參考圖一、圖二、圖三、圖四、圖五，本發明另提供一種製作相位延遲器之方法，包含；提供一透明基板101；及於該透明基板101上堆疊至少一對稱或類對稱性膜堆(pseudo film stack)103，該類對稱性膜堆103包含奇數的薄膜(A’/B/A)，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜B，相對於該中間層薄膜B，其兩側的薄膜(A’,A)的性質成類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
根據一實施例，該方法進一步包含：堆疊至少一匹配層405於該至少一對稱或類對稱性膜堆上，該匹配層405係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，該匹配層405供光束入射，並進而進入該層化的相位延遲器，該匹配層405使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
根據另一實施例，該方法進一步包含：堆疊至少一匹配層505於該至少一對稱或類對稱性膜堆與透明基板間，該匹配層505係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，光束入射進入該層化的相位延遲器，該匹配層505使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
當一偏光膜層化於前述的層化的相位延遲器時，即可形成一種偏光元件，此狀態下，該偏光元件包含：該所述的層化的相位延遲器；與一偏光膜，該偏光膜係置於該層化的相位延遲器之光路前方。
10‧‧‧層化的相位延遲器
101‧‧‧基材
103‧‧‧(類)對稱性膜堆
A’/B/A‧‧‧類對稱性膜堆
A’/B’/C’/D/C/B/A‧‧‧類對稱性膜堆
401‧‧‧基材
403‧‧‧(類)對稱性膜堆
405‧‧‧匹配層
40‧‧‧層化的相位延遲器
50‧‧‧層化的相位延遲器
501‧‧‧基材
505‧‧‧匹配層
503‧‧‧(類)對稱性膜堆
圖一為本發明的一種層化的相位延遲器10； 圖二為(類)對稱性膜堆103的一個實施例； 圖三為(類)對稱性膜堆103的另一個實施例； 圖四為本發明一種層化的相位延遲器的另一個實施例； 圖五為本發明的一種層化的相位延遲器的再一個實施例；圖六揭露本發明層化的相位延遲器所提供相位延遲量對波長的變化情形。
圖七係以史托克參數描述各個不同波長的光束通過本發明層化的相位延遲器的偏極態。
10．．．層化的相位延遲器
101．．．基材
103．．．類對稱性膜堆

Claims (10)

  1. 一種具非均向性薄膜的低色差相位延遲器，包含：一透明基板；及一多層結構，形成於該透明基板且由至少一對稱或類對稱性膜堆(pseudo symmetrical film stack)所組成，該對稱或類對稱性膜堆包含奇數的薄膜，奇數大於一，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜，相對於該中間層薄膜，其兩側的薄膜的性質成對稱或類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
  2. 如請求項第1項所述的低色差相位延遲器，進一步包含至少一匹配層於該多層結構上，該匹配層係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，該匹配層供光束入射，光束離開匹配層後進而進入該多層結構，該匹配層使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
  3. 如請求項第1項所述的低色差相位延遲器，進一步包含至少一匹配層於該多層結構與透明基板間，該匹配層係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，光束離開匹配層後入射進入該透明基板，該匹配層使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
  4. 如請求項第1項所述的低色差相位延遲器，其中該對稱或類對稱性膜堆包含薄膜A’/薄膜B/薄膜A，薄膜B為該中間層薄膜，A’之性質≒A之性質，或A’之性質=A之性質。
  5. 如請求項第4項所述的低色差相位延遲器，其中A’之厚度≒A之厚度，或A’之厚度=A之厚度。
  6. 如請求項第4項所述的低色差相位延遲器，A’之厚度=A之 厚度，且薄膜A或A’為一非均向性薄膜。
  7. 如請求項第1項所述的低色差相位延遲器，其中對稱或該類對稱性膜堆包含薄膜A’/薄膜B’/薄膜C’/薄膜D/薄膜C/薄膜A/薄膜B，薄膜D為該中間層薄膜，A’之性質≒A之性質或A’之性質=A之性質，B’之性質≒B之性質或B’之性質=B之性質，C’之性質≒C之性質或C’之性質=C之性質。
  8. 一種製作具非均向性薄膜的低色差相位延遲器之方法，包含：提供一透明基板；及提供一多層結構，其由至少一對稱或類對稱性膜堆(pseudo symmetrical film stack)所構成，該對稱或類對稱性膜堆包含奇數的薄膜，奇數大於一，該奇數的薄膜中具有一位於中間的中間層薄膜，相對於該中間層薄膜，其兩側的薄膜的性質成對稱或類似對稱的關係，其中奇數的薄膜中包含至少一非均向性的薄膜。
  9. 如請求項第8項所述的方法，進一步包含：形成至少一匹配層於該多層結構上，該匹配層係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，該匹配層供光束入射，出射後並進而進入該多層結構，該匹配層使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
  10. 如請求項第9項所述的方法，進一步包含：形成至少一匹配層於該多層結構與透明基板間，該匹配層係選自一均向性薄膜或一非均向性薄膜，光束離開匹配層後入射進入該透明基板，該匹配層使不同偏極態之透射光有相同或相近似的透射率。
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