CN105181144B - 含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器及其制备方法 - Google Patents
含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器及其制备方法，能够实现对左右旋圆偏振光的区分，该结构包括无机基片、设于无机基片上的二维阿基米德螺旋线和覆盖于二氧化硅基片和二维阿基米德螺旋线表面的金属膜层；本发明的检偏器在3.75um‑6.0um波段圆二色性平均在0.1以上，在3.85um处圆二色性最高可达到0.16，并具波段较宽，结构简单，易于制作的特点，在以后的光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器及其制备方法。
背景技术
在成像技术中，由于偏振成像技术可以在恶劣的环境下进行远距离的图像获取操作，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有绝对优势。因此，其具有非常广泛的应用，例如：可探测隐藏或伪装的目标；可实现海面以及水下目标的探测和识别；可实现烟雾气候环境条件下的导航；有效区分金属和绝缘体或是从引诱物中区分真实目标；可进行癌症、烧伤等医学诊断；可对物体特征（如指纹等）进行识别；可实现星载或机载遥感；还可与其它技术相结合，如多光谱偏振红外成像、超光谱偏振红外成像等。在偏振光成像技术中，圆偏振成像因其在大颗粒散射介质中的独特优势受到广泛重视。如在水底、烟雾、云层以及生物组织中圆偏振光的成像质量要优于线偏振光。
在光学成像技术中区分圆偏振左旋右旋极为重要。传统区分左右旋圆偏振光的方法一般是用四分之一波片把圆偏振转化成不同偏振方向的线偏振光，然后再根据所需要的偏振方向选用检偏器过滤。然而这种方法适用的波段受限于波片的带宽而且不利于元件的小型化与集成化。近年来，含表面等离子波的亚波长结构器件与技术作为一个新兴的学科，在许多领域有着很多潜在的应用，因而越来越受到人们的关注。目前，许多课题组在利用纳米微结构区分左右旋圆偏振光方面做了大量的研究工作。在三维空间结构方面，2009年，Justyna K. Gansel 等人提出并制作了一种宽带的圆偏振光检偏器，即在介质基底上周期性的放置螺旋上升金属金线，通过控制螺旋线的旋转方向，可实现对左旋和右旋圆偏振光的选择性透过。他们先在玻璃基底上沉积一层极薄（25nm）的铟锡氧化物（ITO）作为电化学沉积的阴极，然后涂上正性光刻胶，通过3D激光直写系统将螺旋空气线刻出，再放入含金的电解液中使用电化学沉积的方法将金填充到空隙中，最后除去光刻胶，得到在4um-8um圆二色性平均为0.7的宽带圆偏振片。这种结构工艺复杂，难于制作。2014年，Wenshan Cai等人设计并制作了双层弧形金属(Ag)结构，并实验上在1.4um处得到最大圆二色性为0.35。2014年，E.-B. Kley等人，制作了2-D和3-D海星形金属（Au）结构，其中三维结构在660nm处得到0.4的圆二色性。然而由于三维空间结构工艺复杂制作难度较大，不能与传统光刻技术兼容等缺点，有很多课题组开始寻求二维平面结构来实现对左右旋圆偏振光的区分。2006年，V.A. Fedotov等人发现二维手型结构能够引起圆二色性和旋光特性，且机理不同于三维手型结构和法拉第慈光效应。2009年，Qiwen Zhan 等人提出了一种检测左旋和右旋圆偏振光的设计方法，即利用带有亚波长线宽的螺旋金属狭缝，对左右旋圆偏振光在结构的出射面外，形成不同的聚焦光斑（亮斑，暗斑）来进行区分左右旋圆偏振光。然而这种结构只能在模式上进行区分左右旋圆偏振光，在透过率能量上区分度极小。2012年，F. Eftekhari等人，给出了2D平面手性结能够产生圆二色性的机理和实验验证。2014年J. J. Cadusch课题组含远场干涉应，利用手性纳米缝阵列制作了2-D圆偏振滤波片，在650nm波段左右，在透过率上实现对左右旋圆偏振光10%的区分度。综上所述，现有二维平面结构存在区分度低，作用波段窄等缺点，而无法工业化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的设计与制作方法，能够实现对左右旋圆偏振光的区分，并具波段较宽，结构简单，易于制作的特点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，由结构单元阵列组成；所述结构单元包括基底与覆盖于基底上表面的金属层；所述基底由无机基片以及位于所述无机基片上表面的阿基米德螺旋线组成；所述阿基米德螺旋线的圈数为2～4，起始半径为0.05～0.2um，螺旋线间距为0.25～0.4um，螺旋线宽度为0.1～0.25um，螺旋线高度为0.08～0.14um；所述金属层厚度为0.035～0.08um；所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器中，每个结构单元的周期为2.0～3.2um。
本发明中，阿基米德螺旋线为二维结构，并在上面镀了一层金属，使得二维米德线上表面和基底上表面形成双层的空间金属层，侧壁透光，再利用阿基米德线结构的手性特点和金属的表面等离子效应，使得该结构具有圆二色性，达到了结构的镜像不能与自身重合、对左右旋圆偏振光具有不同透射或者反射率的功能；并且适合所用波段。
本发明中，所述金属为金、银、或铝；由于金的化学性质比较稳定，不易氧化的特点。因此优选为金。
本发明中，所述无机基片为二氧化硅基片或者氟化镁基片；由于二氧化硅基片较为廉价容易获取。因此优选为二氧化硅基片。
本发明中，无机基片与所述阿基米德螺旋线结构单元的材质一样，阿基米德螺旋线由无机基片刻蚀得到。
优选的技术方案中，所述阿基米德螺旋线的圈数为3，起始半径为0.15um，螺旋线间距为0.3um，螺旋线宽度为0.2um，螺旋线高度为0.1um；所述金属层厚度为0.05um；所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器中，每个结构单元的周期为2.6um。这组优化参数，可以使结构达到波段最宽，圆二色性较好的优点。
本发明还公开了上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的制备方法，包括以下步骤：首先，在无机基片上涂光刻胶；然后经曝光显影，再刻蚀光刻胶，接着去除残余光刻胶得到带有阿基米德螺旋线的无机基片，为基底；最后，在基底上设置金属层，即得到含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器。可采用传统的工艺大面积制作，且不需要刻蚀金属，制作简单，有较好的应用前景。
上述技术方案中，采用激光直写曝光并显影；用反应离子束刻蚀光刻胶；利用丙酮去除残余光刻胶；采用电子束蒸发方式在基底上设置金属层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1．本发明首次公开了带有阿基米德螺旋线的圆偏振光检偏器，具有很强的圆二色性，从而实现圆偏振态区分的功能，其圆二色性在3.75um-6.0um波段平均在0.1以上，在3.85um处圆二色性最高可达到0.16，取得了意想不到的技术效果。
2．本发明所公开的含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构合理、易于制作，阿基米德螺旋线结构的尺寸参数可调，制备方法适用不同的金属层；克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到检偏器的缺陷。
3．本发明公开的含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器原料来源广、制备简易，相比现有技术财力、时间成本更低；并且性能优异，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
附图说明
图1为实施例一的含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构单元示意图；其中：1、二氧化硅基片；2、二维阿基米德螺旋线；3、金属层；
图2为实施例一的含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构单元主视结构示意图；
图3为实施例一的含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构单元俯视结构示意图；
图4为实施例一中左右旋圆偏振光由基底入射通过含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；
图5为实施例一中左右旋圆偏振光由基底入射通过含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图；
图6为实施例二中左右旋圆偏振光由基底入射通过含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；
图7为实施例二中左右旋圆偏振光由基底入射通过含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图；
图8为实施例三中左右旋圆偏振光由基底入射通过基于阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；
图9为实施例三中左右旋圆偏振光由基底入射通过基于阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例一：参见附图1所示，一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构单元，包括二氧化硅基片1、设于二氧化硅基片上的二维阿基米德螺旋线结构单元2和覆盖于二氧化硅基片和二维阿基米德螺旋线表面的金膜层3。多个结构单元阵列组合即得到含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器。
参见附图2，为含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器结构单元主视结构示意图，其中二维阿基米德螺旋线的螺旋线高度为H1=0.1um，金膜层厚度为H2=0.05um。
参见附图3所示，为含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器俯视结构示意图，其中二维阿基米德螺旋线的圈数为N=3，起始半径为r0=0.15um，螺旋线间距L为0.3um，螺旋线宽度w为0.2um，每个结构单元的周期P为2.6um，螺旋的尺寸不超过周期的尺寸。
附图4为左右旋圆偏振光由二氧化硅基底入射通过上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；附图5为左右旋圆偏振光由基底入射通过上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图。参见图4所示，在3.75um-6.0um波段结构对左右旋圆偏正光的透过率高低存在差异。参见图5所示，在3.75um-6.0um波段圆二色性平均在0.1以上，在3.85um处圆二色性最高可达到0.16。
上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的制作方法，包括如下步骤：
（1）在二氧化硅基片上旋涂光刻胶；
（2）采用激光直写系统直接在光刻胶上写出二维阿基米德螺旋线结构并采用异丙醇进行显影；
（3）采用反应离子束进行刻蚀，利用丙酮去除残余光刻胶；
（4）在转移好的二氧化硅基片及二维阿基米德螺旋线上采用电子束蒸发方法镀上金薄膜层。
实施例二
本实施例中基片为氟化镁，金属为银；二维阿基米德螺旋线的螺旋线高度为H1=0.1um，金膜层厚度为H2=0.05um，二维阿基米德螺旋线的圈数为N=3，起始半径为r0=0.15um，螺旋线间距L为0.3um，螺旋线宽度w为0.2um，每个结构单元的周期P为2.6um。多个结构单元组合即得到含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器。
附图6为左右旋圆偏振光由氟化镁基底入射通过上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；附图7为左右旋圆偏振光由基底入射通过上述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图。参见图6所示，在3.6um-6.0um波段结构对左右旋圆偏正光的透过率高低存在差异。参见图7所示，在3.6um-6.0um波段圆二色性平均在0.1以上，在4.37um处圆二色性最高可达到0.16。
实施例三
本实施例中基片为二氧化硅，金属为铝；二维阿基米德螺旋线的螺旋线高度为H1=0.1um，金膜层厚度为H2=0.05um，二维阿基米德螺旋线的圈数为N=3，起始半径为r0=0.15um，螺旋线间距L为0.3um，螺旋线宽度w为0.2um，每个结构单元的周期P为2.6um。多个结构单元组合即得到基于阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器。
附图8为左右旋圆偏振光由氟化镁基底入射通过上述基于阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的透过率曲线图；附图9为左右旋圆偏振光由基底入射通过上述基于阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器的圆二色性曲线图。参见图8所示，在3.7um-5.6um波段结构对左右旋圆偏正光的透过率高低存在差异。参见图9所示，在3.7um-5.6um波段圆二色性平均在0.1以上，在4.42um处圆二色性最高可达到0.16。
Claims (6)
1.一种含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器由结构单元阵列组成；所述结构单元包括基底与覆盖于基底上表面的金属层；所述基底由无机基片以及位于所述无机基片上表面的阿基米德螺旋线组成；所述阿基米德螺旋线的圈数为2～4，起始半径为0.05～0.2um，螺旋线间距为0.25～0.4um，螺旋线宽度为0.1～0.25um，螺旋线高度为0.08～0.14um；所述金属层厚度为0.035～0.08um；所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器中，每个结构单元的周期为2.0～3.2um。
2.根据权利要求1所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：所述金属为金、银或铝。
3.根据权利要求1所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：所述无机基片为二氧化硅基片或氟化镁基片。
4.根据权利要求1所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：所述无机基片与所述阿基米德螺旋线的材质一样。
5.根据权利要求1所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：所述阿基米德螺旋线的圈数为3，起始半径为0.15um，螺旋线间距为0.3um，螺旋线宽度为0.2um，螺旋线高度为0.1um；所述金属层厚度为0.05um；所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器中，每个结构单元的周期为2.6um。
6.根据权利要求1所述含阿基米德螺旋线的亚波长圆偏振光检偏器，其特征在于：采用电子束蒸发方式在所述阿基米德螺旋线和基底上设置金属层。
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