Четырёхзонный пропускающий азимутальный микрополяризатор с фазовым сдвигом

Создание компонентов микрооптики с метаповерхностью – новое направление в нанофотонике. Интерес к ним вызван возможностью одновременного управления поляризацией, амплитудой и фазой лазерного пучка. Метаповерхность [1] – это метаматериал нулевой толщины. На метаповерхности расположены периодически субволновые неоднородности в виде рельефа или включений из другого материала, которые увеличивают взаимодействие между светом и поверхностью. В [1] подробно описывается теория таких метаповерхностей и даны расчётные и экспериментальные примеры: четвертьволновая пластинка для видимого и ближнего ИК-диапазона [2], плоская трёхслойная линза [3], плоская линза и плоский аксикон на основе V -антенн [4].

Разные типы микрополяризаторов с метаповерхностью описаны в [5–7]. Микрополяризатор с метаповерхностью, представляющий собой тонкую металлическую плёнку с наноотверстиями и поворачивающий линейную поляризацию света с длиной волны 1340 нм на 90 градусов, описан в [5]. В [6] описан другой тип преобразователя поляризации для длины волны 4,3 мкм на основе субволновых Y -образных наноантенн из алюминия. Отражающие субволновые микрополяризаторы для видимого диапазона в плёнке алюминия исследуются в [7].

Первые субволновые бинарные микрополяризаторы были изготовлены для инфракрасного диапазона [8, 9], где осуществлялось преобразование света круговой поляризации с длиной волны 10,6 мкм в азимутально-поляризованный пучок. Получение радиально-поляризованного светового пучка для субволновой решётки, работающей для длины волны 1064 нм, рассмотрено в работе [10]. Описание технологии получения преобразователя поляризации для длин волн в диапазоне от 1030 нм до 1060 нм, изготовленного из кремния, приведено в статье [11]. Известны также микрополяризаторы на пропускание для видимого диапазона [12]. В [12] изготовленная из алюминия субволновая кольцевая решётка преобразовывала круговую поляризацию в радиальную в видимом диапазоне длин волн (для длины волны 633 нм). Для видимого диапазона известны также отражающие микрополяризаторы с метаповерхностью в плёнке золота для преобразования линейной поляризации в радиальную [13–15] и азимутальную [16].

Азимутальная поляризация предпочтительнее для острой фокусировки света, чем радиальная, по нескольким причинам. Во-первых, при прочих равных условиях и при большой числовой апертуре фокусное пятно для света с азимутальной поляризацией меньше, чем для радиальной. Например, влияние спиральной пластинки, внесённой в азимутально-поляризованный лазерный пучок с целью уменьшения фокусного пятна, изучалось в [17]. Было показано, что такой пучок формирует на 13,5% меньшее фокусное пятно (0,147λ2) по сравнению с аналогичным фокусом от радиально-поляризованного пучка (0,17λ2). Во-вторых, субволновое фокусное пятно света с радиальной поляризацией состоит в основном из продольной поляризации (при этом свет от этого фокусного пятна почти не идёт к наблюдателю вдоль оптической оси), а фокусное пятно света с азимутальной поляризацией состоит в основном из поперечной поляризации, которая доступна наблюдателю на оптической оси. По этим причинам поперечно поляризованные фокусные пятна широко используются в таких областях, как оптическая когерентная томография [18], оптические системы хранения данных [19] и детектирование отдельных молекул [20]. Недостатком фокусировки света с азимутальной поляризацией является необходимость использования дополнительного элемента – спиральной фазовой пластинки [17]. Но с помощью метаповерхности можно в одном элементе управлять и поляризацией, и фазой светового поля.

В данной работе впервые изготовлен и исследован для видимого диапазона бинарный субволновый пропускающий элемент с метаповерхностью, который линейную поляризацию переводит в неоднородную поляризацию, близкую к азимутальной поляризации, но у которой диаметрально противоположные точки пучка имеют сдвиг фазы на π (аналогично действию спиральной фазовой пластинки).

Численное моделирование работы поляризатора

Рассчитанный микрополяризатор с полуволновым сдвигом для преобразования линейной поляризации в азимутальную содержит четыре зоны с углами наклона линий субволновых решёток –60°, 60°, –60°, 60° (рис. 1). Период решёток – 230 нм, ширина ступеньки – 138 нм, ширина канавки – 92 нм. Материал решётки – кремний (Si), высота рельефа решётки – 130 нм. Решётка рассчитана на длину волны 633 нм, комплексный показатель преломления кремния при расчёте выбирался равным n = 3,87 - 0,016 i . Энергия света, прошедшего через микрополяризатор, составляет 15 % от энергии падающего на поляризатор света. Невысокая эффективность связана с поглощением света в кремнии, но при этом высокий показатель преломления позволил в 2,6 раза уменьшить высоту рельефа, что существенно при ширине канавки меньше 100 нм. Размер изготовленного поляризатора (рис. 1) – 100 × 100 мкм.

Параметры изготовленного микрополяризатора (рис. 1) несколько отличались от рассчитанного: период – 244 нм, ширина ступеньки – 148 нм, а ширина канавки – 96 нм. Хотя это отличие укладывается в 6 %.

Моделирование работы идеального (без учёта технологических погрешностей) поляризатора (рис. 1) проводилось следующим образом: сначала методом FDTD, реализованным в программе FullWAVE, рассчитывалось поле, прошедшее через элемент. Считалось, что на микрорельеф элемента из подложки нормально к поверхности падает линейно-поляризованная плоская волна с длиной λ = 633 нм. Величина шага сетки метода FDTD была равна λ/30. Показатель преломления материала ступенек и основания n = 3,87 - 0,016 i (кремний). Высота рельефа считалась равной 130 нм. Показатель преломления основания равен n = 1,5. Вычисление распределения поля на значительном расстоянии от элемента осуществлялось с помощью интеграла Рэлея–Зоммер-фельда, в котором распределение поля на расстоянии 100 нм от поверхности, рассчитанное методом FDTD, использовалось как начальное поле. На рис. 2–4 показано распределение интенсивности (негатив), рассчитанное на расстоянии 5,1 мкм (рис. 2), 100 мкм (рис. 3) и 300 мкм (рис. 4) от элемента.

Для сравнения с экспериментом распределения интенсивности приведены в предположении, что исследуемый пучок прошёл поляризатор (анализатор).

Рис. 1. Изображение части изготовленного микрополяризатора с полуволновым сдвигом, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (а), и её увеличенная центральная часть (б)

б)

Рис. 2. Распределение интенсивности (негатив) в пучке, прошедшем через 4-секторный поляризатор на расстоянии 5,1 мкм от поверхности поляризатора. Анализатор повёрнут на угол 0° (а), 45° (б), -45° (в) и 90° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения и отсутствует (д). Размер изображения – 20 × 20 мкм

Рис. 3. Распределение интенсивности (негатив) в пучке, прошедшем через поляризатор на расстоянии 100 мкм от поверхности поляризатора. Анализатор повёрнут на угол 0° (а), 45° (б), -45° (в) и 90° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения и отсутствует (д). Размер изображения – 20 × 20 мкм

Рис. 4. Распределение интенсивности (негатив) в пучке, прошедшем через поляризатор на расстоянии 300 мкм от поверхности поляризатора. Анализатор повёрнут на угол 0° (а), 45° (б), -45° (в) и 90° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения и отсутствует (д). Размер изображения – 20 × 20 мкм

При этом рис. 2 а –4 а соответствуют направлению анализатора, совпадающему с направлением входной поляризации, рис. 2 б, в –4 б, в соответствуют случаю, когда анализатор повёрнут на углы 45° и -45° соответственно к направлению поляризации входного излучения, а рис. 2 г –4 г – случаю, когда направление анализатора перпендикулярно направлению входной поляризации. Рис. 2 д –4 д соответствуют случаю, когда анализатор отсутствует.

Из рис. 2 видно, что в ближней зоне (на расстоянии 5 мкм от микрополяризатора) поляризация близка к азимутальной. По мере удаления от микрополяризатора амплитуда светового поля приобретает вид, похожий на моду Эрмита–Гаусса (1,1), и имеет четыре локальных максимума (на расстоянии 100 мкм, рис. 3). При подходе к дальней зоне (на расстоянии 300 мкм, рис. 4) амплитуда светового поля имеет центральный максимум. Таким образом, моделирование показало, что микрополяризатор с фазовым сдвигом (рис. 1) формирует в ближнем поле пучок с поляризацией, близкой к азимутальной, и сдвигом фаз в диаметрально противоположных точках и световое поле с центральным максимумом интенсивности в дальней зоне. Эксперименты подтверждают это.

Изготовление микрополяризатора и формирование азимутальной поляризации со сдвигом фаз

Микрополяризатор на рис. 1 был изготовлен по технологии электронной литографии. На поверхность аморфного кремния (130 нм) (а-Si) на прозрачной пирексной подложке нанесли 320 нм резиста (ПММА), который закрепили при температуре 180 °С. Толщина резиста (320 нм) была подобрана оптимальным образом. Во избежание формирования заряда на поверхности образца на него было распылено 15 нм золота. Электронным лучом с напряжением 30 кВ бы- ла написана картина 4-секторной решётки-поляризатора на поверхности резиста. Для проявления образца использовался раствор воды и изопропанола в соотношении 3:7. При этом слой золота был полностью смыт с поверхности ПММА. Трансформирование шаблона решётки-поляризатора с резиста на аморфный кремний было осуществлено с помощью реактивного ионного травления с использованием газов CHF3 и SF6. Толщина резиста была подобрана таким образом, чтобы он смог защитить части картины во время травления 130 нм аморфного кремния. Аспектное отношение скоростей травления материала и маски было найдено 1:2,5.

Для проверки правильности работы изготовленного поляризатора линейно-поляризованный свет от лазера с длиной волны 633 нм, прошедший через поляризатор P1 (диаметр пучка 1 мм), фокусировался с помощью 40-кратного микрообъектива O 1 на подложку с расположенным на ней микрополяризатором (рис. 5).

Лазер

ПЗС   ^{P 2}

4-секторный преобразователь поляризации

Рис. 5. Схема эксперимента: Laser – He-Ne лазер, P 1 и P 2 – линейные поляризаторы, O 1 – объектив 40 ×, O 2 – объектив 10 ×

Размер пятна на микрополяризаторе контролировался с помощью увеличения расстояния от объектива О2 до подложки с микрополяризаторами. Несмотря на то, что в таком случае микрополяризатор расположен не в перетяжке пучка и на элемент падает сферическая волна, результаты, полученные ниже, под- тверждают правильность работы микрополяризатора. Объясняется это тем, что направление поляризации при переходе от плоского волнового фронта к сферическому не приобретёт составляющей вдоль азимутального угла (появляется только продольная составляющая, направленная вдоль оси распространения пучка), а, следовательно, угол между направлением поляризации в плоскости микрополяризатора и направлением рельефа микрополяризатора остаётся без изменения. Сама подложка была установлена на подвижной основе, и положение пятна на микрополяризаторе контролировалось путём сдвигов этой основы. Изображение поверхности 4-зонного поляризатора на ПЗС-камере формировалось с помощью 10-кратного микрообъектива О2 . Для оценки состояния поляризации выходного пучка перед камерой помещался поляризатор (анализатор) P2.

На рис. 6 показан результат эксперимента (направление падающей поляризации горизонтальное на рис. 6). Выходной поляризатор (анализатор) поворачивался так, чтобы составить углы 0° (рис. 6 а ), 45° (рис. 6 б ), -45° (рис. 6 в ) и 90° (рис. 6 г ) градусов по отношению к входному поляризатору.

На основании рис. 6 в , г можно количественно определить эффективность изготовленного микрополяризатора, вычислив в соответствующих квадрантах отношения максимальной энергии к минимальной. В зависимости от квадранта эффективность составляла от 2,1:1 до 2,5:1. Рис. 6 б, в хорошо согласуются с результатами моделирования на рис. 2 б, в и рис. 3 б, в .

Для исследования распределений интенсивности в дальней зоне в схему на рис. 5 была добавлена линза L (рис. 7) с фокусным расстоянием 24 мм. Результаты эксперимента показаны на рис. 8.

Рис. 6. Изображение микрополяризатора (рис. 1) в лазерном свете. Перед камерой помещён выходной поляризатор (анализатор), повёрнутый на угол 0° (а), 45°(б), –45° (в) и 90° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения

O 1

Лазер

ПЗС ^{P 2 L}

4-секторный преобразователь поляризации

Рис. 7. Схема эксперимента: Laser – He-Ne – лазер, P 1 и P 2 – линейные поляризаторы, O 2 – объектив 40×, O 1 – объектив 10×, L – линза (с фокусным расстоянием 24 мм)

На основании рис. 8 можно сделать вывод, что 4-зонный микрополяризатор (рис. 1) преобразует падающий на него линейно-поляризованный пучок света в азимутально-поляризованный пучок с максимумом интенсивности на оптической оси.

Причём центральный лепесток картины дифракции (рис. 8 а ) круглый, а боковой лепесток имеет вид неравномерного кольца, что связано с отсутствием круговой симметрии у микрополяризатора (рис. 1). Р езультат измерения на рис. 8 а, д соответствует результату моделирования на рис. 4 а, д . А на рис. 8 г видны ч етыре слабых локальных максимума интенсивности, напоминающих моду Эрмита–Гаусса (1,1) (сравните с результатами моделирования на рис. 3 г и рис. 4 г ). Кроме того, рис. 8 г показывает, что по вертикальной и горизонтальной осям поляризация горизонтальная линейная, а в четырёх квадрантах (в четырёх углах) поляризация линейная вертикальная, как на рис. 4.

Рис. 8. Изображение в дальней зоне лазерного пучка, прошедшего 4-зонный микрополяризатор (рис. 1).

Перед камерой помещён выходной поляризатор (анализатор), повёрнутый на угол 0° (а), 45° (б), -45° (в) и 90° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения и отсутствует (д). Размер кадров – 2,7 × 2,0 мм

Заключение

В работе были получены следующие результаты. Впервые был рассчитан и изготовлен 4-зонный бинарный субволновый пропускающий микропреобразователь поляризации и фазы в плёнке кремния на стекле для видимого диапазона, осуществляющий преобразование линейно-поляризованного излучения в азимутально-поляризованное со сдвигом фазы в диаметрально противоположных точках на π. Численно с помощью FDTD-метода и экспериментально показано, что изготовленный пропускающий 4-зонный микрополяризатор при освещении его линейно-поляризованным светом формирует в дальней зоне дифракции центральное круглое фокусное пятно.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, грантов Президента РФ поддержки ведущих научных школ (НШ-4128.2016.9), а также грантов РФФИ (14-29-07133, 14-07-97039, 15-07-01174, 16-07-00990).