CN102401917A

CN102401917A - 一种中红外波段透射式亚波长金属光栅

Info

Publication number: CN102401917A
Application number: CN2011103637978A
Authority: CN
Inventors: 周佩珩; 张楠; 谢建良; 邓龙江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-04-04

Abstract

一种中红外波段透射式亚波长金属光栅，属于功能材料与器件技术领域。包括硒化锌玻璃衬底和位于硒化锌玻璃衬底表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜；所述周期性孔洞结构中，单个孔洞的半径r小于孔洞周期P的二分之一，所述孔洞周期P为1～10微米。本发明利用小于红外波长的亚波长周期性结构，在2.5～25微米的中红外波段实现了红外光的选择性透射，同时屏蔽微波毫米波段电磁波的功能。本发明具有结构简单、易于实现的特点，可应用于需要电磁屏蔽的红外探测器件中。

Description

一种中红外波段透射式亚波长金属光栅

技术领域

本发明属于功能材料与器件技术领域，应用于中红外波段具有电磁屏蔽功能的选择性透波探测窗口及带通式滤波器等红外光学器件领域。

背景技术

目前在红外探测窗口的应用领域，需要一种既能够有效屏蔽电磁干扰，又能够透过红外光的光学窗口。当前在应用中多是采用金属栅网的结构来实现上述功能。这种金属网栅结构的周期远大于红外光的波长，对红外光学波段的性能影响不大。

亚波长金属周期结构的研究源自上世纪末，从中衍生出的一门新兴学科：表面等离激子学(plasmonics)，在国际上已经成为光学、理论物理学等多个学科领域的研究热点。表面等离子体具有表面局域和近场增强两个独特性质，通过对金属结构的调整可以控制表面等离子体的性质，影响光与金属结构的相互耦合，控制光的传播特性。亚波长金属周期结构的一个重要应用就是利用表面等离子体实现光的超常透射：在远大于金属结构周期的波段实现光的超高选择性透过。

哈尔滨工业大学申请的中国专利“一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”(申请号：200810063988.0)公开了一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，该电磁屏蔽光学窗由两层结构参数相同的方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗或透明衬底两侧构成，双层方格金属网栅的方格边长大于传统单层方格金属网栅方格边长的2倍，且其两层方格金属网栅的间距为其方格边长的2～4倍，相对于传统单层方格金属网栅，采用双层方格金属网栅结构的光学窗在不降低透光率的同时，大幅度提高了微波以及毫米波的屏蔽效率，解决了已有光学窗电磁屏蔽技术中高透光率和强电磁屏蔽效率不能同时兼顾的问题。

哈尔滨工业大学申请的另一件中国专利“一种毫米波带通金属网栅结构”(申请号：201010239333.1)公开了一种毫米波带通金属网栅结构，该金属网栅结构由方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环为周期单元而构成，其中外谐振圆环位于方形感性网栅内部，内谐振圆环位于外谐振圆环内部，且方形感性网栅与外谐振圆环和内谐振圆环具有共同的中心，方形感性网栅的周期小于干扰电磁波最小波长的二分之一，外谐振圆环的直径小于方形感性网栅的周期，外谐振圆环的直径大于内谐振圆环的直径。应用于毫米波、激光、红外三模复合探测仪器的抗电磁干扰技术领域。

在红外探测的某些应用领域，红外探测窗口不仅需要具有电磁屏蔽功能，同时需要对红外波段(尤其是波长在2.5～25微米的中红外波段)具有选择性透波功能。但是上述两种技术方案提出的光学窗口虽然可以满足微波毫米波段的电磁屏蔽，但都无法实现红外波段的选择性透波。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对目前红外窗口只能透波无法滤波的技术缺陷，提出了一种中红外波段透射式亚波长金属光栅。该金属光栅在满足微波毫米波电磁屏蔽功能的同时，对波长在2.5～25微米的中红外波段的红外光具有选择性透射功能。

本发明的技术方案为：

一种中红外波段透射式亚波长金属光栅，如图1、2所示，包括硒化锌玻璃衬底1和位于硒化锌玻璃衬底1表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜2。所述所述周期性孔洞结构中，单个孔洞的半径r小于孔洞周期P的二分之一，而所述孔洞周期P为1～10微米。

上述技术方案中：1)所述周期性孔洞结构可以是正方形阵列结构(如图1所示)，也可以是六角形阵列结构(如图2所示)；2)所述表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜2的厚度为100～300纳米；3)所述表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜2的材料可以是金、银或铝。

本发明提供的中红外波段透射式亚波长金属光栅，当金属孔洞的阵列周期为1～10微米，金属薄膜的厚度为100～300纳米时，能够屏蔽微波段的电磁干扰，同时中红外波段的透射峰出现在数倍于阵列周期的波段：微波段的电磁波将几乎100％的被反射，正方形阵列的最强透射峰出现在约2.5倍阵列周期处，六角形阵列的最强透射峰出现在约2.2倍阵列周期处。

上述透射式亚波长金属光栅的制备方法，可采用以下方法进行制备：在硒化锌玻璃表面旋涂光刻胶，然后采用接触式紫外曝光机进行图形转移，再利用电子束蒸发在图形化的光刻胶表面沉积上金属薄膜，使用丙酮剥离法去除光刻胶后，依次再用酒精、去离子水清洗，最后氮气吹干即得到所述透射式亚波长金属光栅。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

①由于亚波长结构的引入，可实现一个选择性好，透过率高的透波带，能够实现中红外波段的滤波性能，克服了现有的金属栅网结构只能透波无法滤波的缺陷。

②可通过阵列的周期、孔洞的大小灵活的调节透射峰的位置和强度，带通性能可控性非常强。

③通过阵列结构的调整可以较大范围的调整透射峰位置和强度，为带通性能的调控提供了更加多元化的选择。

④采用硒化锌玻璃作为衬底，其在中红外波段相比于硅衬底具有更高和更平滑的透过率，同时没有硅衬底中的特征吸收峰，透射谱的非归一化透过率更高。

⑤制备工艺简单、易于实现，能够获得大面积的透射式亚波长金属光栅。

附图说明

图1为本发明提供的具有正方形阵列结构的中红外波段透射式亚波长金属光栅的结构示意图。

图2为本发明提供的具有六角形阵列结构的中红外波段透射式亚波长金属光栅的结构示意图。

图3为本发明的金属铝薄膜上正方形阵列和六角形阵列孔洞结构的归一化透射率曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明。

硒化锌基底1、金属薄膜结构层2

例1、以金属铝薄膜上孔洞结构为正方形阵列排布，孔洞周期6微米，孔洞直径3微米为例：

①清洗基片，用丙酮，酒精，去离子水依次对基片进行超声清洗，每个步骤的超声清洗时间都大约在10分钟；

②利用甩胶机在清洗后的基片表面旋涂上厚度均匀的AZ5214反转光刻胶；

③用烘烤板对涂胶后的基片前烘，烘烤温度为100摄氏度，时间1分钟；

④采用接触式紫外曝光机对已涂胶的基片曝光，将掩膜板上的周期性孔洞阵列图形在紫外光源下转移到光刻胶上，曝光时间为2.5秒；

⑤用烘烤板对曝光后的基片后烘，使负性光刻胶转变为正性光刻胶，烘烤温度为120摄氏度，时间90秒；

⑥采用接触式紫外曝光机对后烘后的基片无掩模泛曝光，曝光时间为45秒；

⑦将泛曝光后的基片置于显影液中显影，显影时间为45秒；

⑧将经过显影的样品置于电子束蒸发系统的真空室内沉积金属薄膜，蒸发靶材为铝，蒸发速率约每分钟12纳米，生长时间为17分钟，金属薄膜厚度约200纳米；

⑨用丙酮对生长了金属薄膜的样品去胶，并再次用酒精，去离子水清洗，氮气吹干后即得到所制备光栅样品。

例2、以金属铝薄膜上孔洞结构为六角形阵列排布，阵列周期6微米，孔洞直径3微米为例：

除了步骤④外，其它与例1步骤相同。本例中，步骤④所用的光刻掩模板上图形为六角形孔洞阵列结构排布。

对于上述两种中红外波段透射式亚波长金属光栅样品，采用傅里叶红外光谱仪测试了其红外透射率曲线，如图3所示：六角形阵列结构的金属光栅在12～15微米(约2.2倍阵列周期处)实现了一个透过率约30％的透过峰，正方形阵列结构的金属光栅在13～16微米(约2.5倍阵列周期处)实现了一个透过率约18％的透过峰。

Claims

1.一种中红外波段透射式亚波长金属光栅，包括硒化锌玻璃衬底(1)和位于硒化锌玻璃衬底(1)表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜(2)；其特征在于，所述周期性孔洞结构中，单个孔洞的半径r小于孔洞周期P的二分之一，所述孔洞周期P为1～10微米。

2.根据权利要求1所述的中红外波段透射式亚波长金属光栅，其特征在于，所述周期性孔洞结构为正方形阵列结构或六角形阵列结构。

3.根据权利要求1或2所述的中红外波段透射式亚波长金属光栅，其特征在于，所述表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜(2)的厚度为100～300纳米。

4.根据权利要求1或2所述的中红外波段透射式亚波长金属光栅，其特征在于，所述表面具有周期性孔洞结构的金属薄膜(2)的材料为金、银或铝。