CN101726869B - 一种可用于光束整形的金属槽缝结构 - Google Patents
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Abstract
一种可用于光束整形的金属槽缝结构，包括以下步骤：(1)选择硅基片，并将其表面抛光；然后在其表面溅射沉积一层厚度在所需波长量级的金属膜；(2)采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀多个沟槽；(3)一边沟槽达到一定数量后，再将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期；将金属层刻透，形成一条缝隙；(4)再沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤(2)中同样数量的沟槽。一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成。本发明结构简单、制作方便，可以实现以0度角方向为中心在任意的角度范围内实现强度均匀分布的远场辐射。这为微波和光频段的远场电磁辐射控制提供了新的方法和新的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于光束整形的金属槽缝结构的电磁辐射调制特性，可以实现以0度角方向为中心在任意的角度范围内电磁强度均匀分布的远场辐射。
技术背景
对于金属表面槽缝结构与光波相互作用的过程及其定向辐射物理机制的研究主要从2002年开始，当时H.J.Lezec等人发现了一个关于亚波长结构对电磁能量辐射控制的奇异现象。他们发现，在光波通过周围有亚波长褶皱的金属小孔时，透过光束的传输方向可以得到非常有效的控制。W.L.Barnes于2003年在《Nature》上撰写了一篇综述文章，高度评价了该发现的重要意义。他认为，这种亚波长结构化的表面结构，不仅揭示了金属结构在更小尺度下的异常电磁行为，而且为发展下一代的集成化、小型化光学器件提供了一个全新的思路，它特有的光束准直特性也为光子学向亚波长领域发展提供了一条便捷的途径。其机理可以归结为入射波通过狭缝后，一部分电磁波直接辐射出去，而另一部分则耦合到出射面的周期沟槽中，亚波长沟槽内存在一定的电磁模式，并且会产生二次辐射，总的辐射场是中心狭缝的直接透射与周期沟槽二次辐射的叠加。当所有沟槽与狭缝之间满足同相匹配时，能够得到方向性最好的定向辐射光束。近几年来，国际上多个研究小组对该结构的辐射特性一级机理进行了深入的研究和分析。
目前，工程上通常采用设计透镜系统来实现光束的整形，该方法的缺点是：通常设计过程比较复杂，并且作为一个多元件组合的系统，其透镜间距等必须有精确的要求，这就必然导致其不便于集成。本发明采用平面刻蚀金属槽缝结构的方法，其结构紧凑，便于光学器件的集成，且设计方法比较简单。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可用于光束整形的金属槽缝结构，利用调节沟槽位相分布，从而实现以0度角方向为中心，在任意的角度范围内实现强度均匀分布的远场辐射。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可用于光束整形的金属槽缝结构，其制作步骤如下：
(1)选择硅基片，并将硅基片表面抛光；然后在硅基片表面溅射沉积一层厚度在所需半波长量级的金属膜；
(2)采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀多个沟槽；
(3)一边沟槽达到一定数量后，再将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期；将金属层刻透，形成一条缝隙；
(4)再沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤
(2)中同样数量的沟槽，一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成。
所述步骤(2)中的沟槽宽度为0.11倍波长。
所述步骤(2)中的沟槽的深度为0.17倍波长-0.19倍波长。
所述步骤(2)中的移动周期和步骤(4)中的移动周期相同，均为0.53倍波长-0.85倍波长。
所述步骤(2)中的沟槽数量为20个。
所述步骤(3)中缝隙的宽度为0.11倍波长。
所述步骤(3)中移动周期为0.53倍波长-0.85倍波长。
所述步骤(4)中沟槽的宽度为0.11倍波长。
所述步骤(4)中沟槽的深度为0.17倍波长-0.19倍波长。
所述步骤(1)中的金属膜为铝膜或铜膜。
本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明从电磁场模式匹配理论出发，立足于光栅理论，通过设计沟槽周期的大小来控制辐射的角谱范围(即光栅一级衍射角谱范围)，其角度范围从0度到180度连续可控；然后，通过设计沟槽的深度来调节各沟槽中的位相分布(两边沟槽由外到内相邻槽中的位相差不断变小)，使得各沟槽的二次辐射在远场叠加的效果为在辐射角谱范围内均匀分布，实现以0度角方向为中心在任意的角度范围内电磁强度均匀分布的远场辐射。此外，本发明采用平面光刻技术来制作，相比于目前工程常用的折衍混合光学系统来实现光束整形来说，其结构简单紧凑，制作方便。
附图说明
图1是本发明第一步的制作示意图；
图2是本发明第二步的制作示意图；
图3是本发明第三步的制作示意图；
图4是本发明第四步的制作示意图；
图5是可用于光束整形的金属槽缝结构的示意图；
图6为通过模式匹配方法，仿真得到以上三个实施例的远场角谱图。
图中：1为表面抛光的硅基底；2为溅射沉积的金属膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
如图1所示，本发明第一步的制作示意图；首先选择一块硅基片1，并将其表面抛光，然后在抛光的硅基片1表面溅射沉积一层厚度为600nm的铝膜2(本实施例采用1550nm波长的红外光源)；
如图2所示，本发明第二步的制作示意图；采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，沟槽宽度为170nm(0.11倍波长)，深度为284nm(0.183倍波长)，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀20个沟槽，移动周期为816nm(0.53倍波长)；
如图3所示，本发明第三步的制作示意图；将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期，将金属层刻透，形成一条缝隙，缝隙宽度与沟槽宽度相同；
如图4所示，本发明第四步的制作示意图；沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤(2)中同样数量，同样尺寸的沟槽，这样一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成，如图5所示。
实施例2：
如图1所示，本发明第一步的制作示意图；首先选择一块硅基片1，并将其表面抛光，然后在抛光的硅基片1表面溅射沉积一层厚度为600nm的铝膜2(本实施例采用1550nm波长的红外光源)；
如图2所示，本发明第二步的制作示意图；采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，沟槽宽度为170nm(0.11倍波长)，深度为288nm(0.186倍波长)，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀20个沟槽，移动周期为1033nm(0.67倍波长)；
如图3所示，本发明第三步的制作示意图；将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期，将金属层刻透，形成一条缝隙，缝隙宽度与沟槽宽度相同；
如图4所示，本发明第四步的制作示意图；沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤(2)中同样数量，同样尺寸的沟槽，一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成。
实施例3：
如图1所示，本发明第一步的制作示意图；首先选择一块硅基片1，并将其表面抛光，然后在抛光的硅基片1表面溅射沉积一层厚度为600nm的铝膜2(本实施例采用1550nm波长的红外光源)；
如图2所示，本发明第二步的制作示意图；采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，沟槽宽度为170nm(0.11倍波长)，深度为262nm(0.17倍波长)，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀20个沟槽，移动周期为1292nm(0.83倍波长)；
如图3所示，本发明第三步的制作示意图；将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期，将金属层刻透，形成一条缝隙，缝隙宽度与沟槽宽度相同；
如图4所示，本发明第四步的制作示意图；沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤(2)中同样数量，同样尺寸的沟槽。一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成。
如图6所示为通过模式匹配方法，仿真得到以上三个实施例的远场角谱图。从图6可见，三个不同的实施例对应远场辐射角宽不同，即辐射角宽可控，且在辐射的角度范围内，均得到了近似均匀的辐射。
具体数据如下表：
| 实施例 | 波长(nm) | 沟槽周期(nm) | 沟槽与缝宽度(nm) | 沟槽深度(nm) | 零点角宽(度) |
| 实施例1 | 1550 | 816nm(0.53倍波长) | 170nm(0.11倍波长) | 284nm(0.183倍波长) | 128 |
| 实施例2 | 1550 | 1033nm(0.67倍波长) | 170nm(0.11倍波长) | 288nm(0.186倍波长) | 60 |
| 实施例3 | 1550 | 1292nm(0.83倍波长) | 170nm(0.11倍波长) | 262nm(0.17倍波长) | 22.5 |
此处定义的零点角宽为图6中第一辐射零点之间的角度范围。
Claims (3)
1.一种可用于光束整形的金属槽缝结构，其特征在于：所述金属槽缝结构的制作方法如下：
(1)选择硅基片，并将硅基片表面抛光；然后在硅基片表面溅射沉积一层厚度在所需半波长量级的金属膜；
(2)采用聚焦离子束光刻技术，在金属膜的一端开始刻蚀沟槽，一个沟槽刻蚀完成后，向另一端周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复刻蚀多个沟槽；所述步骤(2)中的沟槽数量为20个；
(3)一边沟槽达到上述数量后，再将聚焦离子束的聚焦位置沿同一方向移动一个周期；将金属层刻透，形成一条缝隙；所述缝隙的宽度与步骤(2)中的沟槽的宽度相同；
(4)再沿同一方向周期性地移动聚焦离子束的聚焦位置，重复步骤(2)，刻蚀与步骤(2)中同样数量的沟槽，一种可用于光束整形的金属槽缝结构制作完成；所述步骤(2)中的移动周期和步骤(4)中的移动周期相同，均为0.53倍波长-0.85倍波长；
所述步骤(2)中的沟槽宽度为0.11倍波长；
所述步骤(2)中的沟槽的深度为0.17倍波长-0.19倍波长；
所述步骤(4)中沟槽的宽度为0.11倍波长；
所述步骤(4)中沟槽的深度为0.17倍波长-0.19倍波长；
所用的光源为1550nm波长的红外光源。
2.根据权利要求1所述的一种可用于光束整形的金属槽缝结构，其特征在于：所述步骤(3)中移动周期为0.53倍波长-0.85倍波长。
3.根据权利要求1所述的一种可用于光束整形的金属槽缝结构，其特征在于：所述步骤(1)中的金属膜为铝膜或铜膜。
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