CN103197366B - 基于异质结光栅的偏振滤波器及制备方法 - Google Patents
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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 (10)
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，金属为金、银或铂。
4.制备权利要求1所述的一种基于异质结光栅的偏振滤波器的方法，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、石英片或者硅片。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，玻璃选自ITO玻璃或FTO玻璃。
9.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。
10.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。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 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 |
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