CN105911627B - 一种非对称传输结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种非对称传输结构及其制备方法，该结构包括结构本体，结构本体包括多个传输单元，传输单元设有相交的第一缝隙和第二缝隙，第二缝隙与第一缝隙之间有一锐角β，且β的数值范围为30°～60°；其制备方法包括清洗基底、涂光刻胶、涂胶后烘、曝光、显影、定影、显影后烘、真空镀金、光刻胶去除、吹干十个步骤，同时圆偏振光通过该方法制得的该结构能获得多种偏振态的光，出射光中有左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、线偏振光、左旋椭圆偏振光以及右旋椭圆偏振光，再通过其他结构如偏振片能获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用；该非对称传输结构，结构及制备工艺简单，有利于推广和应用。

Description

一种非对称传输结构及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种非对称传输结构及其制备方法。
背景技术
非对称传输是指同一种偏振态的波从传输结构的正面入射时和从传输结构的反面入射时转换效率不同的效应。偏振，即振动方向对于传播方向的不对称性，且偏振是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向光波中的电振动矢量和磁振动矢量都与传播速度相垂直，因此光波是横波，它具有偏振性，具有偏振性的光则称为偏振光。偏振光按照其性质又可分为平面偏振光(即线偏振光)、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。
对于圆偏振光而言，假定入射光为右旋圆偏振光(RCP)，出射光中既有右旋圆偏振光，还有通过结构转化出的左旋圆偏振光(LCP)，而这种出射光中左、右旋所占比例对于从结构正面入射和从结构反面入射是不同的。对于现有的技术，许多三维结构用来实现圆偏振光的非对称传输效应，其结构大多通过将偏振旋转器夹在两种方向垂直的偏振片之间，从而实现非对称效应。然而,这种方法虽然能够实现非对称传输效应，但结构复杂，不利于制备及推广。
发明内容
本发明的目的是克服现有的实现非对称传输的结构中存在的结构复杂，不利于制备及推广的问题。
为此，本发明提供了一种非对称传输结构，包括结构本体，其中，所述结构本体包括多个传输单元，所述多个传输单元设有相交的第一缝隙和第二缝隙。
上述一种非对称传输结构，所述传输单元为长方体，所述长方体的长度a、宽度b的数值范围均为150nm～200nm，高度t的数值范围为20nm～80nm。
上述一种非对称传输结构，所述第一缝隙与所述长方体的宽度b方向相平行，且所述第一缝隙的长度与所述长方体的宽度b相等，第一缝隙宽度c的数值范围为20nm～50nm；所述第二缝隙的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值范围为30°～90°，且第二缝隙的长度e、宽度d的数值范围分别90nm～150nm、30nm～70nm。
上述一种非对称传输结构，所述第二缝隙与第一缝隙之间有一锐角β，且β的数值范围为30°～60°。
本发明还提供了一种非对称结构的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、清洗：选取ITO玻璃作为基底，并将其放入洗涤液中清洗，再依次用去离子水Ⅰ、丙酮、酒精、去离子水Ⅱ超声清洗，最后用氮气枪吹干放入氮气柜备用；
步骤二、涂光刻胶：用甩胶机在所述步骤一清洗后的基底上甩SU-8光刻胶；
步骤三、涂胶后烘：将所述步骤二甩胶后的基底放置在热板上烘烤；
步骤四、曝光：对所述步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
步骤五、显影：室温条件下，将所述步骤四曝光后的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤六、定影：将所述步骤五浸泡显影的基底放入定影液中浸泡，时间不少于60s；
步骤七、显影后烘：将所述步骤六定影浸泡的基底放置在热板上烘烤；
步骤八、真空镀金：将所述步骤七烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中，蒸镀钛后再蒸镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤九、光刻胶去除：采用lift-off工艺，用去胶液剥离所述步骤八真空镀金后的基底上的SU-8光刻胶，时间至少为30min；
步骤十、用氮气枪吹干所述步骤九处理后的基底，非对称传输结构制备完成。
上述一种非对称传输结构的制备方法，所述步骤一中ITO玻璃的尺寸为1～3英寸，洗涤液为洗洁精或者洗手液，去离子水Ⅰ、丙酮、酒精依次超声清洗的时间为15min，去离子水Ⅱ超声清洗的时间为5min。
上述一种非对称传输结构的制备方法，所述步骤二中SU-8光刻胶的厚度为200nm，所述甩胶机的转速为1000rpm，时间为60s。
上述一种非对称传输结构的制备方法，所述步骤三、步骤七中热板的温度均为150℃，且烘烤时间均为3min～15min；所述热板放置于超净室内的通风厨处，且热板的温度精度为±1℃。
上述一种非对称传输结构的制备方法，所述步骤五中的显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，且显影时间为60s。
上述一种非对称传输结构的制备方法，所述步骤八中电子束真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀钛、金的厚度分别为10nm、40nm。
本发明的有益效果：本发明提供的这种非对称结构，圆偏振光通过该结构可以获得多种偏振态的光，即出射光中有左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、线偏振光以及椭圆偏振光，再通过其他结构如偏振片可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用；因此，该非对称结构，结构简单，有利于推广和应用。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1非对称传输结构的示意图。
图2是本发明实施例2非对称传输结构的局部结构示意图。
图3(a)为本发明通过计算机软件模拟试验得到的与波长与透射率的曲线图。
图3(b)为本发明通过计算机软件模拟试验得到的波长与非对称传输转换效率曲线图。
图4是本发明实施例3非对称传输结构的局部结构示意图。
图5是本发明实施例4非对称传输结构的局部结构示意图。
图6是本发明实施例5非对称传输结构的局部结构示意图。
附图标记说明：1、结构本体；2、传输单元；3、第一缝隙；4、第二缝隙。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1：
如图1所示，一种非对称传输结构的示意图，包括结构本体1，结构本体1包括12个传输单元2，传输单元2为正方体，且正方体的边长a＝b＝200nm，高度t的数值为40nm；传输单元2还设有相交的第一缝隙3和第二缝隙4，第二缝隙4与第一缝隙3之间有一锐角β，且β的数值为60°；第一缝隙3与所述正方体的边长b方向相平行，且第一缝隙3的长度与所述正方体的边长b相等，第一缝隙3宽度c的数值为20nm；第二缝隙4的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值为60°，且第二缝隙4的长度e、宽度d的数值分别为150nm、40nm。
该非对称传输结构，其具体制备方法如下：
步骤一、选取1～3英寸的ITO玻璃作为基底，并用洗洁精对其清洗，用去离子水超声清洗15min后，用丙酮超声15min，随后再用酒精超声15min，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜备用；
步骤二、用甩胶机在步骤一中制备好的基底上甩200nm厚的电子束负胶SU-8，所用甩胶机转速设定为1000rpm(甩胶机可以设定0-6000rpm)时间设定为60s；
步骤三、将步骤二甩胶后的基底放在已经加热到150℃的热板上，烘烤时间为3min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃；
步骤四、对步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，结合具体的设计参数和图1所示的结构图，a＝b＝200nm，c＝20nm，d＝40nm，e＝150nm，t＝40nm，α＝60°，β＝60°，扫描电子显微镜曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
步骤五、室温条件下，将步骤四曝光后的基底放入由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比3:1配合制成的显影液中浸泡显影，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)最好；
步骤六、将步骤五浸泡显影的基底放入定影液中浸泡，时间不少于60s其中定影液为异丙醇，浸泡完成后取出用氮气吹干；
步骤七、将步骤六定影浸泡的基底放置在150℃的热板上烘3min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃；
步骤八、将步骤七烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中抽真空，真空度要达到3×10-6torr以下，蒸镀10nm厚的钛，钛具有很好的粘附性，防止之后镀的Au脱落，然后蒸镀40nm的Au，蒸镀完冷却10min后才可以取出样品，防止钛靶材被氧化；
步骤九、采用剥离即lift-off工艺，将步骤八真空镀金后的基底泡在丙酮中，因为丙酮作为有机溶剂，易挥发，有毒，需要密封浸泡，时间35min，溶解电子束光刻胶SU-8；
步骤十、用氮气枪吹干步骤九处理后的基底，非对称传输结构制备完成。
基于实施例1的参数及步骤制备完成该非对称传输结构后，通过使用三维有限元方法(FEM)计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验，如图3所示，图3(a)为与波长与透射率的曲线变化图，其中，表示左旋圆偏振光激发、右旋圆偏振光接收，其波长与透射率的曲线图用表示，表示右旋圆偏振光激发，左旋圆偏振光接收，其波长与透射率的曲线图用表示；图3(b)为波长与非对称传输转换效率曲线图，非对称传输转换效率用AT表示，其中，
T上的箭头表示光的传播方向，箭头向右表示光沿z轴正方形传播，箭头向左表示光沿z轴负方向传播，下角标“+”表示右旋圆偏振光，“-”表示左旋圆偏振光；下角标第一位表示接收光的偏振态；第二位表示激发光的偏振态；由上述公式可以得出图3(a)中的的透射率减去的透射率得到的结果即为非对称传输转换效率，且从图3(b)可以看出当波长为645nm时，非对称传输转换效率最高。
实施例2：
一种非对称传输结构,包括结构本体1，结构本体1包括多个传输单元2，如图2所示的该非对称传输结构的局部结构示意图，传输单元2为正方体，且正方体的边长a＝b＝150nm，高度t的数值为20nm；传输单元2还设有相交的第一缝隙3和第二缝隙4，第二缝隙4与第一缝隙3之间有一锐角β，且β的数值为60°；第一缝隙3与所述正方体的边长b方向相平行，且第一缝隙3的长度与所述正方体的边长b相等，第一缝隙3宽度c的数值为50nm；第二缝隙4的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值为90°，且第二缝隙4的长度e、宽度d的数值分别为90nm、30nm。
该非对称传输结构，其具体制备方法如下：
步骤一、选取1～3英寸的ITO玻璃作为基底，并用洗手液对其清洗，用去离子水超声清洗15min后，用丙酮超声15min，随后再用酒精超声15min，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜备用；
步骤二、用甩胶机在步骤一中制备好的基底上甩200nm厚的电子束负胶SU-8，所用甩胶机转速设定为1000rpm(甩胶机可以设定0-6000rpm)时间设定为60s；
步骤三、将步骤二甩胶后的基底放在已经加热到150℃的热板上，烘烤时间为15min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃；
步骤四、对步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，结合具体的设计参数和图1所示的非对称传输结构的局部结构图，a＝b＝150nm，c＝50nm，d＝30nm，e＝90nm，t＝20nm，α＝90°，β＝60°，扫描电子显微镜曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
步骤五、室温条件下，将步骤四曝光后的基底放入由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比3:1配合制成的显影液中浸泡显影，显影液从-15℃冰箱中取出在室温下立刻使用，显影时间控制在恒定时间60s；在显影时间确定下，图形的精度与曝光剂量成线性关系，60s时曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)最好；
步骤六、将步骤五浸泡显影的基底放入定影液中浸泡定影，浸泡时间不少于60s，其中定影液为异丙醇，浸泡完成后取出用氮气吹干；
步骤七、将步骤六定影浸泡的基底放置在放在150℃的热板上烘15min；热板放置在超净室内的通风处，此处尘埃颗粒少，有利于有机物的挥发，热板的温度精度为±1℃；
步骤八、将步骤七烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中抽真空，真空度要达到3×10-6torr以下，蒸镀10nm厚的钛，钛具有很好的粘附性，防止之后镀的Au脱落，然后蒸镀40nm的Au，蒸镀完冷却20min后才可以取出样品，防止钛靶材被氧化；
步骤九、采用剥离即lift-off工艺，将步骤八真空镀金后的基底泡在丙酮中，因为丙酮作为有机溶剂，易挥发，有毒，需要密封浸泡，时间为40min，溶解电子束光刻胶SU-8；
步骤十、用氮气枪吹干步骤九处理后的产品，非对称传输结构制备完成。
实施例3:
一种非对称传输结构,包括结构本体1，结构本体1包括多个传输单元2，如图4所示的该非对称传输结构的局部结构示意图，传输单元2为长方体，且长方体的长度a＝160nm，宽度b＝180nm，高度t的数值为80nm；传输单元2还设有相交的第一缝隙3和第二缝隙4，第二缝隙4与第一缝隙3之间有一锐角β，且β的数值为45°；第一缝隙3与所述长方体的宽度b方向相平行，且第一缝隙3的长度与所述长方体的宽度b相等，第一缝隙3宽度c的数值为40nm；第二缝隙4的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值为30°，且第二缝隙4的长度e、宽度d的数值分别为120nm、70nm。
该非对称传输结构，其具体的制备方法包括清洗基底、涂光刻胶、涂胶后烘、曝光、显影、定影、显影后烘、真空镀金、光刻胶去除、吹干这十个步骤，与实施例2中制备方法不同的地方在于步骤四、对步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，结合具体的设计参数和图4所示的非对称传输结构的局部结构图，a＝160nm，b＝180nm，c＝40nm，d＝70nm，e＝120nm，t＝80nm，α＝30°，β＝45°，扫描电子显微镜曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底。
实施例4：
一种非对称传输结构,包括结构本体1，结构本体1包括多个传输单元2，如图5所示的该非对称传输结构的局部结构示意图，传输单元2为长方体，且长方体的长度a＝180nm，宽度b＝160nm，高度t的数值为20nm；传输单元2还设有相交的第一缝隙3和第二缝隙4，第二缝隙4与第一缝隙3之间有一锐角β，且β的数值为60°；第一缝隙3与所述长方体的宽度b方向相平行，且第一缝隙3的长度与所述长方体的宽度b相等，第一缝隙3宽度c的数值为30nm；第二缝隙4的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值为30°，且第二缝隙4的长度e、宽度d的数值分别为130nm、40nm。
该非对称传输结构，其具体的制备方法包括清洗基底、涂光刻胶、涂胶后烘、曝光、显影、定影、显影后烘、真空镀金、光刻胶去除、吹干这十个步骤，与实施例2中制备方法不同的地方在于步骤四、对步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，结合具体的设计参数和图5所示的非对称传输结构的局部结构图，a＝180nm，b＝160nm，c＝30nm，d＝40nm，e＝130nm，t＝20nm，α＝30°，β＝60°，扫描电子显微镜曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底。
实施例5：
一种非对称传输结构,包括结构本体1，结构本体1包括多个传输单元2，如图6所示的该非对称传输结构的局部结构示意图，传输单元2为长方体，且长方体的长度a＝150nm，宽度b＝160nm，高度t的数值为60nm；传输单元2还设有相交的第一缝隙3和第二缝隙4，第二缝隙4与第一缝隙3之间有一锐角β，且β的数值为30°；第一缝隙3与所述长方体的宽度b方向相平行，且第一缝隙3的长度与所述长方体的宽度b相等，第一缝隙3宽度c的数值为20nm；第二缝隙4的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值为90°，且第二缝隙4的长度e、宽度d的数值分别为140nm、30nm。
该非对称传输结构，其具体的制备方法包括清洗基底、涂光刻胶、涂胶后烘、曝光、显影、定影、显影后烘、真空镀金、光刻胶去除、吹干这十个步骤，与实施例2中制备方法不同的地方在于步骤四、对步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，结合具体的设计参数和图5所示的非对称传输结构的局部结构图，a＝150nm，b＝160nm，c＝20nm，d＝30nm，e＝140nm，t＝60nm，α＝90°，β＝30°，扫描电子显微镜曝光电压选择20KV，spot选择5.0，曝光剂量400μc/cm2(微库每平方厘米)，步距选择20nm，用电子束曝光图形，得到曝光后的基底。
本发明提供的这种非对称结构，圆偏振光通过该结构可以获得多种偏振态的光，即出射光中有左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、线偏振光以及左旋椭圆偏振光、右旋椭圆偏振光，再通过其他结构如偏振片可以获得其中任意一种偏振态的光，并加以利用，且其结构及制备工艺简单，有利于推广和应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种非对称传输结构，包括结构本体(1)，其特征在于：所述结构本体(1)包括多个传输单元(2)，所述多个传输单元(2)设有相交的第一缝隙(3)和第二缝隙(4)；
所述第二缝隙(4)与第一缝隙(3)之间有一锐角β，且β的数值范围为30°～60°。
2.根据权利要求1所述的一种非对称传输结构，其特征在于：所述传输单元(2)为长方体，所述长方体的长度a、宽度b的数值范围均为150nm～200nm，高度t的数值范围为20nm～80nm。
3.根据权利要求2所述的一种非对称传输结构，其特征在于：所述第一缝隙(3)与所述长方体的宽度b方向相平行，且所述第一缝隙(3)的长度与所述长方体的宽度b相等，第一缝隙(3)宽度c的数值范围为20nm～50nm；所述第二缝隙(4)的长度e方向和宽度d方向之间的夹角α的数值范围为30°～90°，且第二缝隙(4)的长度e、宽度d的数值范围分别90nm～150nm、30nm～70nm。
4.权利要求1-3任一项所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、清洗：选取ITO玻璃作为基底，并将其放入洗涤液中清洗，再依次用去离子水Ⅰ、丙酮、酒精、去离子水Ⅱ超声清洗，最后用氮气枪吹干放入氮气柜备用；
步骤二、涂光刻胶：用甩胶机在所述步骤一清洗后的基底上甩SU-8光刻胶；
步骤三、涂胶后烘：将所述步骤二甩胶后的基底放置在热板上烘烤；
步骤四、曝光：对所述步骤三烘烤后的基底，用图形发生器设计结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
步骤五、显影：室温条件下，将所述步骤四曝光后的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤六、定影：将所述步骤五浸泡显影的基底放入定影液中浸泡，时间不少于60s；
步骤七、显影后烘：将所述步骤六定影浸泡的基底放置在热板上烘烤；
步骤八、真空镀金：将所述步骤七烘烤后的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中，蒸镀钛后再蒸镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤九、光刻胶去除：采用lift-off工艺，用去胶液剥离所述步骤八真空镀金后的基底上的SU-8光刻胶，时间至少为30min；
步骤十、用氮气枪吹干所述步骤九处理后的基底，非对称传输结构制备完成。
5.根据权利要求4所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一中ITO玻璃的尺寸为1～3英寸，洗涤液为洗洁精或者洗手液，去离子水Ⅰ、丙酮、酒精依次超声清洗的时间为15min，去离子水Ⅱ超声清洗的时间为5min。
6.根据权利要求4所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二中SU-8光刻胶的厚度为200nm，所述甩胶机的转速为1000rpm，时间为60s。
7.根据权利要求4所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：所述步骤三、步骤七中热板的温度均为150℃，且烘烤时间均为3min～15min；所述热板放置于超净室内的通风处，且热板的温度精度为±1℃。
8.根据权利要求4所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：所述步骤五中的显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，且显影时间为60s。
9.根据权利要求4所述的一种非对称传输结构的制备方法，其特征在于：所述步骤八中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀钛、金的厚度分别为10nm、40nm。
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