CN103197366A - 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 - Google Patents
基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103197366A CN103197366A CN2013100805877A CN201310080587A CN103197366A CN 103197366 A CN103197366 A CN 103197366A CN 2013100805877 A CN2013100805877 A CN 2013100805877A CN 201310080587 A CN201310080587 A CN 201310080587A CN 103197366 A CN103197366 A CN 103197366A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heterojunction
- grating
- laser interference
- filter based
- polarization filter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 21
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000025 interference lithography Methods 0.000 claims description 6
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 claims description 2
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000004816 dichlorobenzenes Chemical class 0.000 claims description 2
- -1 methenyl choloride Chemical compound 0.000 claims description 2
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 16
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 6
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004049 embossing Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法，属于偏振滤波器技术领域。在基底上的一维激光干涉图案由相邻的两种不同周期的金属激光干涉图案连接组成，两种激光干涉图案的条纹方向一致，两种不同周期的激光干涉图案的周期之比范围为0.6-1.5，入射光所在的激光干涉图案的周期范围为200nm-2000nm。将记录介质溶液旋涂在基底上，将两种不同周期的激光干涉图案分别与连续记录介质薄膜的两个相邻区域作用，显影、定影，将金属纳米颗粒溶胶旋涂在异质结纳米光栅结构上，加热即可。本发明方法无需使用昂贵的设备，成本低。
Description
技术领域
本发明属于偏振滤波器技术领域，尤其涉及基于异质结光栅的偏振滤波器，利用激光干涉光刻方法制作大面积的异质结纳米光栅，把金属纳米颗粒溶胶旋涂在纳米光栅上，退火后即可得到金属结构的异质结光栅，该器件具有偏振滤波功能。
背景技术
具有偏振滤波功能的金属纳米结构是国际上广泛关注的研究课题，在实际应用和基础研究中都具有重要意义。金属纳米光栅结构的传统制作方法有：电子束光刻、反应离子束刻蚀、纳米压印技术等，但这些方法工艺复杂、设备昂贵、效率低，不利于偏振滤波器件的实际应用开发。而干涉光刻具有工艺简单，能够低成本地制作大面积无缺陷的各种纳米结构。将干涉光刻引入异质结光栅结构的偏振滤波器件的制作具有重要的应用价值。
发明内容
本发明目的是提出一种基于异质结光栅的偏振滤波器，利用激光干涉光刻制作异质结光栅结构，再将金属纳米颗粒溶胶旋涂在异质结光栅结构上，退火后得到高效率的偏振滤波器。
一种基于异质结光栅的偏振滤波器，其特征在于，在基底上的一维激光干涉图案由相邻的两种不同周期的金属激光干涉图案连接组成（见图3），两种激光干涉图案的条纹方向一致，两种不同周期的激光干涉图案的周期之比（Λ2/Λ1）范围为0.6-1.5，入射光所在的激光干涉图案的周期Λ1范围为200nm-2000nm。
激光干涉图案的薄膜厚度优选为50-500nm。所述的金属优选金、银或铂。
本发明中一维异质结光栅金属结构制备技术具体方案如下：
1)以500-4000rpm的转速，以转速为2000rpm时为最佳，将记录介质溶液旋涂在基底上，获得厚度均匀的记录介质薄膜，薄膜的厚度为50-500nm；
2)将两种不同周期的激光干涉图案分别与连续记录介质薄膜的两个相邻区域作用，并经过显影、定影处理，形成相邻的两种不同周期的金属激光干涉图案，即记录介质异质结纳米光栅结构样品，激光干涉光刻技术制备光栅结构的光路示意图见图1，制备异质结光栅结构的步骤见图2；
3)将直径为2-10nm的金属纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成40-100mg/ml的金属纳米颗粒溶胶；
4)将步骤3)中制备的金属纳米颗粒溶胶，以1500-4000rpm的转速，旋涂在步骤2)中制备的一维异质结纳米光栅结构上；
5)将步骤4)中制备的样品在200-300℃的加热板上或200-500℃电炉中加热20-90s，得到基于异质结光栅的偏振滤波器，该器件的照片和原子力显微镜（AFM）图像见图3。
上述记录介质为光刻胶；基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片等；干涉光刻所用激光波长小于等于500nm；金属纳米颗粒为金、银或铂纳米颗粒。所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种。
本发明的优势特点：
1)本发明制备的滤波器件带宽随入射光角度和异质结的周期比可连续调谐，滤波带宽可以接近0，见图4(理论结果)和图5(实验结果)。图4中带宽公式为Δλ=min(λ2,λ4)-max(λ1,λ3)，由光栅衍射反常条件得：对于周期为Λ1的光栅来说λ1=Λ1sinθ+Λ1；λ2=Λ1sinθ+nsΛ1；对于周期为Λ2的光栅来说λ3=Λ2sinθ+Λ2；λ4=Λ2sinθ+nsΛ2；θ为入射角；ns为基底折射率（此处取玻璃折射率1.5）。
2)本发明方法无需使用昂贵的设备，成本低，可制备大面积一维异质结金属光栅结构，重复性好，制备效率高。
3)本发明所制备的异质结光栅的两个周期均可控。通过改变干涉光路的干涉角α1和α2，便可制备周期为200nm-2000nm的记录介质光栅结构。
附图说明
图1、激光干涉光刻技术制备分布反馈式结构的光路示意图
其中，1为紫外激光器；2为扩束用透镜组；3为介质膜全反镜；4为分束镜；5为待加工的样品。
图2、制备异质结金光栅结构的步骤；
图3、所获得的基于异质结光栅的偏振滤波器的照片和扫描电子显微镜（SEM）图像
图4、基于异质结光栅的偏振滤波器的滤波带宽随入射角和异质结周期比的调谐规律(模拟结果)
图5、所获得的基于异质结光栅的偏振滤波器的滤波曲线；(a)滤波带宽随入射角调谐；(b)滤波带宽随异质结周期比调谐
图6、所获得的基于异质结光栅的偏振滤波器的偏振特性；其中α为偏振片的偏振方向与光栅栅线方向的夹角。
图7、异质结光栅滤波原理及实验光斑照片。其中①为反射光、②为经过单一周期光栅的衍射光、③为与经过两个周期光栅衍射光(即异质结光栅滤波后得到的光束)，θ1为入射角或单一周期光栅的二阶衍射角，θ2为经过两个周期光栅的二阶衍射角，上方插图为对应的实验光斑照片。对于单一周期光栅(Λ1)，由光栅衍射反常条件得λ1=Λ1sinθ1+Λ1；λ2=Λ1sinθ1+nsΛ1，故其滤波带宽为Δλ=λ2-λ1=(ns-1)Λ1，为恒定值；对于异质结光栅(Λ1和Λ2)，由光栅衍射反常条件得λ1=Λ1sinθ1+Λ1；λ2=Λ1sinθ1+nsΛ1；λ3=Λ2sinθ2+Λ2；λ4=Λ2sinθ2+nsΛ2；故其滤波带宽为Δλ=min(λ2,λ4)-max(λ1,λ3)，可随入射角和周期比变化。
具体实施方式
实施例1：基于一维异质结光栅金属结构的偏振滤波器的制备技术。
1)以2000rpm的转速，将记录介质溶液旋涂在基底上，获得厚度为400nm的记录介质薄膜；
2)将两种不同周期（Λ1=420nm，Λ2=480nm；入射光入射在Λ1=420nm的光栅）的激光干涉图案分别与连续记录介质薄膜的两个相邻区域作用，并经过显影、定影处理，形成记录介质异质结纳米光栅结构样品，激光干涉光刻技术制备光栅结构的光路示意图见图1，制备异质结光栅结构的步骤见图2；
3)将直径为5nm的金属纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成100mg/ml的金属纳米颗粒溶胶；
4)将步骤3)中制备的金属纳米颗粒溶胶，以1800rpm的转速，旋涂在步骤2)中制备的一维异质结纳米光栅结构上；
5)将步骤4)中制备的样品在400℃电炉中加热60s，得到基于异质结光栅的偏振滤波器，该器件的照片和SEM图像见图3，其滤波带宽随入射角和周期比可调谐特性见图4(理论模拟)和图5(实验结果)，偏振特性见图6，实验滤波光斑照片如图7。该异质结光栅滤波得到的光束和反射光之间的距离(①和③)可远大于单一周期光栅(①和②)，由θ2控制，与反射光束传播方向θ1不同，方便在实际应用中提取该光束。
Claims (9)
1.一种基于异质结光栅的偏振滤波器，其特征在于，在基底上的一维激光干涉图案由相邻的两种不同周期的金属激光干涉图案连接组成，两种激光干涉图案的条纹方向一致，两种不同周期的激光干涉图案的周期之比Λ2/Λ1范围为0.6-1.5，入射光所在的激光干涉图案的周期Λ1范围为200nm-2000nm。
2.按照权利要求1的一种基于异质结光栅的偏振滤波器，其特征在于，激光干涉图案的薄膜厚度优选为50-500nm。
3.按照权利要求1的一种基于异质结光栅的偏振滤波器，其特征在于，金属优选金、银或铂。
4.权利要求1所述的一种基于异质结光栅的偏振滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以500-4000rpm的转速，将记录介质溶液旋涂在基底上，获得厚度均匀的记录介质薄膜，薄膜的厚度为50-500nm；
2)将两种不同周期的激光干涉图案分别与连续记录介质薄膜的两个相邻区域作用，并经过显影、定影处理，形成相邻的两种不同周期的金属激光干涉图案，即记录介质一维异质结纳米光栅结构样品；
3)将直径为2-10nm的金属纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成40-100mg/ml的金属纳米颗粒溶胶；
4)将步骤3)中制备的金属纳米颗粒溶胶，以1500-4000rpm的转速，旋涂在步骤2)中制备的一维异质结纳米光栅结构上；
5)将步骤4)中制备的样品在200-300℃的加热板上或200-500℃电炉中加热20-90s，得到基于异质结光栅的偏振滤波器。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤1）的转速为2000rpm。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于，记录介质为光刻胶。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于，基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片。
8.按照权利要求4的方法，其特征在于，干涉光刻所用激光波长小于等于500nm 。
9.按照权利要求4的方法，其特征在于，所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310080587.7A CN103197366B (zh) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310080587.7A CN103197366B (zh) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103197366A true CN103197366A (zh) | 2013-07-10 |
| CN103197366B CN103197366B (zh) | 2015-06-17 |
Family
ID=48720042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310080587.7A Expired - Fee Related CN103197366B (zh) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103197366B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107703571A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-16 | 东南大学 | 掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法 |
| US9983339B2 (en) | 2015-04-13 | 2018-05-29 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Polarizer having metal grating, its manufacturing method and display device |
| CN111366991A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-07-03 | 南方科技大学 | 一种光学超构表面、制备方法及加工装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998036297A1 (en) * | 1997-02-14 | 1998-08-20 | Institut National D'optique | Phase mask with spatially variable diffraction efficiency |
| CN1602570A (zh) * | 2001-11-16 | 2005-03-30 | 福托纳米公司 | 用于宽带通信系统的表面发射dfb激光器结构及阵列 |
| CN1740888A (zh) * | 2005-09-08 | 2006-03-01 | 中国计量学院 | 用于光放大器增益平坦的啁啾布拉格光纤光栅滤波器 |
| US20100084261A1 (en) * | 2008-10-07 | 2010-04-08 | China Institute Of Technology | Method for fabricating polymeric wavelength filter |
| CN102651537A (zh) * | 2011-02-23 | 2012-08-29 | 北京工业大学 | 基于有源波导光栅结构的有机半导体激光器的制作方法 |
-
2013
- 2013-03-13 CN CN201310080587.7A patent/CN103197366B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998036297A1 (en) * | 1997-02-14 | 1998-08-20 | Institut National D'optique | Phase mask with spatially variable diffraction efficiency |
| CN1602570A (zh) * | 2001-11-16 | 2005-03-30 | 福托纳米公司 | 用于宽带通信系统的表面发射dfb激光器结构及阵列 |
| CN1740888A (zh) * | 2005-09-08 | 2006-03-01 | 中国计量学院 | 用于光放大器增益平坦的啁啾布拉格光纤光栅滤波器 |
| US20100084261A1 (en) * | 2008-10-07 | 2010-04-08 | China Institute Of Technology | Method for fabricating polymeric wavelength filter |
| CN102651537A (zh) * | 2011-02-23 | 2012-08-29 | 北京工业大学 | 基于有源波导光栅结构的有机半导体激光器的制作方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9983339B2 (en) | 2015-04-13 | 2018-05-29 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Polarizer having metal grating, its manufacturing method and display device |
| CN107703571A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-16 | 东南大学 | 掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法 |
| CN107703571B (zh) * | 2017-09-22 | 2020-05-19 | 东南大学 | 掺杂金纳米颗粒的全息波导显示系统及其光栅制备方法 |
| CN111366991A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-07-03 | 南方科技大学 | 一种光学超构表面、制备方法及加工装置 |
| CN111366991B (zh) * | 2020-04-17 | 2022-01-25 | 南方科技大学 | 一种光学超构表面、制备方法及加工装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103197366B (zh) | 2015-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zou et al. | Electrically tunable transparent displays for visible light based on dielectric metasurfaces | |
| Chen et al. | Soft optical metamaterials | |
| Priimagi et al. | Azopolymer‐based micro‐and nanopatterning for photonic applications | |
| CN106324729B (zh) | 基于激光全息石墨烯金属复合表面拉曼增强基底加工方法 | |
| CN101973512B (zh) | 紫外激光干涉灼蚀金属微纳结构直写方法 | |
| CN103969840A (zh) | 基于金属纳米光栅的微偏振片阵列及其制备方法 | |
| Proust et al. | Optimized 2D array of thin silicon pillars for efficient antireflective coatings in the visible spectrum | |
| Bhupathi et al. | Femtosecond laser-induced vanadium oxide metamaterial nanostructures and the study of optical response by experiments and numerical simulations | |
| KR101902659B1 (ko) | 단속된 금속성 층으로 코팅된 표면을 포함하는 태양광 관리를 위한 반투명 건축 요소 | |
| CN103675969A (zh) | 高效率斜双层光栅 | |
| CN103197366B (zh) | 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 | |
| CN104105987A (zh) | 偏振分离元件 | |
| Li et al. | Free-space optical beam tapping with an all-silica metasurface | |
| CN107121715A (zh) | 一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法 | |
| CN103278994A (zh) | 一种基于牛顿环干涉全息记录的电控菲涅尔透镜制备方法 | |
| van de Groep et al. | Metasurface mirrors for external control of Mie resonances | |
| Barelli et al. | Color routing via cross-polarized detuned plasmonic nanoantennas in large-area metasurfaces | |
| Chervinskii et al. | Humidity-and temperature-tunable metal–hydrogel–metal reflective filters | |
| CN101315440B (zh) | 248纳米波段的零级抑制相位掩模 | |
| CN101858998A (zh) | 一种增强纳米狭缝透射效率的微纳结构 | |
| CN101975976B (zh) | 基于金属纳米颗粒的光子晶体微纳结构直写方法 | |
| Kirubaraj et al. | Large scale fabrication of asymmetric 2D and 3D micro/nano array pattern structures using multi-beam interference lithography technique for Solar cell texturing application | |
| Plaud et al. | Copolymer template control of gold nanoparticle synthesis via thermal annealing | |
| Seo et al. | Electron‐Beam‐Induced Nanopatterning of J‐Aggregate Thin Films for Excitonic and Photonic Response Control | |
| CN115016149A (zh) | 一种基于二氧化钒相变的等离激元超表面超快偏振选择性光调制器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150617 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |