CN103954363B - 一种圆偏振光检测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆偏振光检测器，包括透明载体和嵌设在该透明载体内且同心布置的多个螺旋金属环，每个螺旋金属环由若干绕成环形的金属片组成；每个金属片具有边e、边f、边g和边h，边h和边f分别位于对应螺旋金属环的内外边界上，边e和边g分别位于两条以螺旋金属环圆心为起点的阿基米德螺旋线上。本发明还公开了上述圆偏振光检测器的制造方法。本发明利用螺旋金属环，实现了左、右旋光透过率的大消光比；利用一次光束或电子束曝光以及聚焦离子束刻蚀或反应刻蚀工艺便可实现亚波长尺度的金属螺旋环结构；本发明的圆偏振检测单元结构制备在同一基底上，便于超像素阵列的大规模集成。

Description

一种圆偏振光检测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成光学和信息光学领域，尤其涉及一种圆偏振光检测器及其制造方法。

背景技术

自第一代CCD的发明至如今集成千万像素的图像传感器的出现，人们在感受日益丰富而又细腻的图像的同时，针对不同应用场景而提出了新的要求。例如，在烟雾弥漫条件下，只获取光强信息的图像传感器无法实现透过烟雾的清晰成像；特别是在高速公路上，大雾天气增加了交通压力，对于人们的行车安全构成严重威胁。另外，在硝烟纷飞的战场中，如何实现超距清晰分辨成像，对于辨别敌我双方具有重大意义。

在电磁散射环境中，光学偏振态探测与分析能得到光强无法具有的信息。偏振光学技术在雾霭条件下提高目标成像对比度，大气污染物检测、指纹识别、大气湍流下的高空目标识别以及人类早期皮肤癌诊疗等方面具有良好的应用前景。

获取斯托克斯(Stokes)参量(S₀,S₁,S₂,S₃)的方法是光学偏振检测的关键技术之一。Stokes参量能够完全地描述光的偏振特性，包括非偏振光的自然光。该参量的获取需要涉及4个独立单元，其作用分别为：任何光的透过率为原来的一半；只透过X轴极化偏振光；只透过Y轴极化偏振光；只透过右旋偏振光；其中Z轴为光的传播方向。

偏振成像超分辨能力的实现依赖于偏振检测单元的小型化和大规模集成化。近年来，利用亚波长偏振光栅透镜阵列实现Stokes参量的同步测量备受重视。整个阵列中，核心技术难点在于亚波长光栅圆偏振检测器的设计与制作。早期圆偏振检测器由多层金属薄膜组成，这种结构左、右旋圆偏振光消光比不稳定，带宽窄制造工艺复杂。

目前国际上一般采用具有圆形、螺旋以及双螺旋等二维周期或准周期复杂纳米结构的金属(Al,Ag或Au)来构建，并利用表面等离激元对光的调制获得了具有一定消光比的圆偏振探测结构，如公开号为CN101852884B的专利文献公开的一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，以及公开号为CN101782666B的专利文献公开的一种螺旋状金属线栅圆偏振器。现有的圆偏振探测单元存在左、右旋光消光比小(<10)、不稳定以及制造工艺复杂的缺点。

发明内容

本发明提供了一种具有螺旋金属环结构的圆偏振光检测器，利用金属表面等离激元对光传播行为的调制，在可见光波段实现了左、右旋消光比接近30。

一种圆偏振光检测器，包括透明载体和嵌设在该透明载体内且同心布置的多个螺旋金属环，每个螺旋金属环由若干绕成环形的金属片组成；

每个金属片具有边e、边f、边g和边h，边h和边f分别位于对应螺旋金属环的内外边界上，边e和边g分别位于两条以螺旋金属环圆心为起点的阿基米德螺旋线上。

其中，每个螺旋金属环的径向宽度应小于待测光束波长，设各螺旋金属环径向宽度依次为D₁,D₂,D₃,...D_n，n为螺旋金属环的个数，并满足Dn在一个波长(待测光束)范围内，以降低光的传播损耗。

其中，相邻两个螺旋金属环的间距小于亚波长，设相邻螺旋金属环之间的距离依次为d₁,d₂,d₃,...d_n-1，并满足d_n-1在亚波长范围内，以增强各环之间的局域场耦合。

其中，在同一螺旋金属环内，相邻两个金属片之间的最大距离小于待测光束的波长。

在每层螺旋金属环内，各金属片绕对应螺旋金属环的中心分别旋转弧度θ1,θ2,θ3,...θn后重合，且各各环旋转弧度的数值可以将2π整除，并满足各环内部金属片之间的距离在亚波长范围内，以增强各环内金属片之间的局域场耦合。

其中，处于最外的螺旋金属环的外周半径小于待测光束的20个波长，即最外层螺旋金属环的半径控制在二十个波长(待测光束)范围内。

其中，边e和边g处于阿基米德螺旋线上，阿基米德螺旋线的起始半径与末端半径的半径差小于待测光束的10个波长，且所述末端半径对应的末端相位处于(0,6π)范围内。

各螺旋金属环内金属片之间的边界为阿基米德螺旋线，其起始半径都为0，末端半径为r₁,r₂,r₃,...r_n，并且在十个波长范围内，末端相位分别为Φ₁,Φ₂,Φ₃,...Φ_n，并且在(0,6π)范围内，该螺旋线边界的使用，使得整体结构出现了手性。

其中，所述的透明载体包括基底和覆盖在基底上的介质，所述的螺旋金属环位于基底与介质之间。

另外，针对上述结构的圆偏振光检测器，本发明还设计了一套制造相对简单的工艺。

一种圆偏振光检测器的制造方法，包括：在基底上沉积一层金属薄膜，并在金属薄膜上旋涂光刻胶，待光刻胶干燥后经光束或电子束曝光，使得螺旋金属环图形转移到光刻胶上，然后利用反应刻蚀或聚焦离子束刻蚀的方法将光刻胶上的螺旋金属环图形转移动金属薄膜上，得到螺旋金属环，最后在螺旋金属环上覆盖一层介质保护层，得到最终的圆偏振光检测器。

其中，在石英等与金属晶格常数不匹配的基底上，为解决石英、玻璃等基底与金属粘附力较差的问题，本发明可以在基底与金属薄膜之间镀设过渡层，该过渡层为氧化铋薄膜或钛膜。

利用光束或电子束曝光以及聚焦离子束刻蚀或反应刻蚀的方法实现了金属结构的一次成型；最后作为保护层，利用沉积方法在金属表面生长一层介质薄膜(如二氧化硅等)。

优选的，所述的基底为石英片或K9玻璃片，所述的金属薄膜为金或银，所述的介质保护层为二氧化硅。

本发明的有益效果主要体现在：

1、螺旋金属环的利用，实现了左、右旋光透过率的大消光比；

2、只需利用一次光束或电子束曝光以及聚焦离子束刻蚀或反应刻蚀工艺便可实现亚波长尺度的金属螺旋环结构；

3、该圆偏振检测单元结构制备在同一基底上，便于超像素阵列的大规模集成。

附图说明

图1是本发明利用圆偏振光检测器三维结构示意图。

图2是本发明圆偏振光检测器的螺旋金属环结构示意图。

图3是本发明圆偏振光检测器中螺旋金属环内金属片构造示意图。

图4是本发明制造工艺流程示意图。

图5是本发明圆偏振光检测器四环结构的左、右旋圆偏振光消光比曲线图。

图6是本发明圆偏振光检测器三环结构的左、右旋圆偏振光消光比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

实施例1

如图1和图2所示，一种圆偏振光检测器，包括四层同心布置的螺旋金属环3、基底1和介质2，基底1和介质2依次放置在光线a(可见光波段)的入射方向上，螺旋金属环3位于基底1和介质2之间，螺旋金属环的半径由内而外依次增大，且最外层螺旋金属环3的半径为R。

在本实施例中，基底为石英片或K9玻璃片，介质为二氧化硅，四个螺旋金属环3的径向宽度依次为D₁＝D₂＝D₃＝D₄＝200nm，相邻两层螺旋金属环3之间的距离依次为d₁＝d₂＝d₃＝200nm，且每个螺旋金属环绕圆心旋转后与原来图形的重合，各旋转的弧度依次为θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝π/6。

每个螺旋金属环由多个绕成环形的金属片组成，每个金属片具有边e、边f、边g和边h，边h和边f分别位于对应螺旋金属环的内外边界上，边e和边g分别位于两条以螺旋金属环圆心为起点的阿基米德螺旋线A_m和阿基米德螺旋线A_m+1上，且阿基米德螺旋线A_m+1是利用阿基米德螺旋线A_m绕原点旋转θ/2＝π/12后得到的，各环金属片边界的阿基米德螺旋线起始半径都为0nm，末端半径为r₁＝r₂＝r₃＝r₄＝2400nm，相位分别为Φ₁＝Φ₂＝Φ₃＝Φ₄＝2π，最外环半径R＝1600nm。

利用放在介质表面附近的光强探测器探测处于内部的第一金属环以内的总光强，得到图5；图6是图2去掉最外环后的三环结构消光比曲线图，该结构其它参数与上述图5对应的结构相同。

可以看到，上述参数的选择使得左、右旋圆偏振光经过该器件调制后表现出不同的局域场光强度分布，从而实现左、右旋圆偏振光的分辨。

实施例2

如图4所示，上述圆偏振光检测器的制造方法，包括：基底101(如石英片、K9玻璃片等)经过清洗后依次蒸发沉积过渡层102(如氧化铋薄膜、钛膜等)和磁控溅射金属薄膜103(如金、银等)；之后，再在其上旋涂光刻胶104，待光刻胶104干燥后经光束或电子束曝光；接着利用反应刻蚀或聚焦离子束刻蚀的方法将图形转移到金属薄膜103之上，得到螺旋金属环105；最后再沉积一层保护层106(如二氧化硅)，从而完成圆偏振光检测器的制作。

Claims (5)

1.一种圆偏振光检测器，其特征在于，包括透明载体和嵌设在该透明载体内且同心布置的多个螺旋金属环，每个螺旋金属环由若干绕成环形的金属片组成；

每个金属片具有边e、边f、边g和边h，边h和边f分别位于对应螺旋金属环的内外边界上，边e和边g分别位于两条以螺旋金属环圆心为起点的阿基米德螺旋线上；

每个螺旋金属环的径向宽度应小于待测光束波长，相邻两个螺旋金属环的间距小于亚波长；

在同一螺旋金属环内，相邻两个金属片之间的最大距离小于待测光束的波长；

在每层螺旋金属环内，各金属片绕对应螺旋金属环的中心分别旋转弧度θ1,θ2,θ3,…θn后重合，且各环旋转弧度的数值可以将2π整除，并满足各环内部金属片之间的距离在亚波长范围内，以增强各环内金属片之间的局域场耦合；

处于最外层的螺旋金属环的外周半径小于待测光束的20个波长；

在边e和边g上，所述阿基米德螺旋线的起始半径与末端半径的半径差小于待测光束的10个波长；

所述末端半径对应的末端相位处于(0,6π)范围内。

2.如权利要求1所述的圆偏振光检测器，其特征在于，所述的透明载体包括基底和覆盖在基底上的介质，所述的螺旋金属环位于基底与介质之间。

3.一种如权利要求2所述圆偏振光检测器的制造方法，其特征在于，在基底上沉积一层金属薄膜，并在金属薄膜上旋涂光刻胶，待光刻胶干燥后经光束或电子束曝光，使得螺旋金属环图形转移到光刻胶上，然后利用反应刻蚀或聚焦离子束刻蚀的方法将光刻胶上的螺旋金属环图形转移动金属薄膜上，得到螺旋金属环，最后在螺旋金属环上覆盖一层介质保护层，得到最终的圆偏振光检测器。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在基底与金属薄膜之间镀设过渡层，该过渡层为氧化铋薄膜或钛膜。

5.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的基底为石英片或K9玻璃片，所述的金属薄膜为金或银，所述的介质保护层为二氧化硅。