CN107203018A - 一种亚波长反射式一维金属波片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其能够在不同度的波段实现二分之一和四分之一波片的功能，所述波片包括介质光栅和设置在其上的金属层；纳米介质光栅结构设置上一层类光栅金属层，介质光栅的周期为80～350nm，占空比为0.3～0.8，厚度为50～200nm，金属层的厚度比介质光栅厚度30nm以上（层间距大于30nm）。介质层的材料可为SiO₂、MgF₂、PMMA，金属层为金、银、铝、镉等反射率高的材料。本发明具有结构简单，易于制作等优点，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

一种亚波长反射式一维金属波片的制备方法

本申请为申请号为201510285816.8的中国发明专利申请的分案申请，原申请的申请日为：2015年5月29日，申请号为：201510285816.8，发明名称为：一种亚波长反射式一维金属波片及其制备方法。

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种亚波长反射式一维金属波片及其制备方法。

背景技术

在光的研究与应用领域，光的偏振态的产生与转换控制是至关重要的。偏振是波片的属性，传统的光偏振态产生与控制器件大多都是利用双折射晶体材料，当光入射到双折射晶体时，由于沿平行和垂直光轴的两个正交方向具有不同的光学折射率，因此当光透过双折射晶体时透射光会在这两个正交方向上产生位相差，从而改变光的偏振态。传统晶体波片作为一种重要的光学器件，受到物理尺寸的限制，难以满足微纳光电子集成的要求。探索和研究基于新原理的易于微纳光电子集成的波片显得十分迫切。

由于金属与介质的表面能够产生表面等离子共振来控制光与物质的相互作用，当前亚波长金属结构越来越引起人们的广泛关注。Khoo和Zhao提出了透射型等离子1/4波片的结构以及实现方法，即在金属薄膜上设计周期性的相垂直的矩形狭缝，通过控制矩形狭缝的长度、宽度、厚度以排列方式，可实现透射光在沿两狭缝方向上的振幅和位相可调，并且可以通过优化解决方案来实现在目标波长处两正交方向上90度的位相差。2012年，Roberts等人提出了一种相似的结构即利用带有亚波长十字形结构图案的金属银薄膜，通过调节周期性阵列的十字形的几何尺寸，可以在近红外特定波长处实现等离子1/4波片的功能。

除了透射型偏振态转换器件之外，由于实际需要，反射型偏振器件也引起了许多研究小组的重视。2012年，Pors等人设计了反射型等离子位相延迟器件，分别通过控制十字形、矩形结构两臂长和边长，来控制相互垂直的电偶极子的散射共振，从而在特定波长处实现反射式位相延迟器的功能。2013年，王钦华等人利用亚波长矩形环结构实现了反射型四分之一波片的功能。该波片包括第一层金属层、玻璃层、第二层金属层。其中，第二层金属层由若干周期性的二维矩形环阵列构成，通过控制矩形环的臂长和臂宽来控制反射场正交分量的相位差。2014年，E. A. Shaner等人设计并制作了可调谐多波段反射式半波片，该波片包括第一层金属层、玻璃层、第二层金属光栅层。通过调节入射角度可以在不同波长实现半波片的功能。

综合上述结构，大多是二维结构而且需要通过刻蚀金属来制作。由于金属的刻蚀难度大，因此上述结构都存在工艺比较复杂，制作难度大的问题。为了克服现有技术难题，本发明提出一种亚波长反射式一维金属波片，该波片在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚波长反射式一维金属波片；其制作简单，在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能，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。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长反射式一维金属波片，包括纳米介质光栅及位于所述纳米介质光栅上的金属层；所述金属层与所述纳米介质光栅之间无间隙；所述金属层上表面设有类光栅结构；所述纳米介质光栅的周期为80～350nm，占空比为0.3～0.8，厚度为50～200nm。

上述技术方案中，所述金属层连续。本发明的金属层完全覆盖纳米介质光栅的表面，并向上于其上表面形成类光栅结构；纳米介质光栅的槽被金属填充，与光栅表面的金属层下表面连为一体，即金属层与纳米介质光栅之间无间隙；纳米介质光栅的槽型与几何尺寸直接决定金属上表面光栅的槽型和几何尺寸。

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。一般常用的光栅是在基片（介质）上刻出大量平行刻痕制成，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一凹槽，光栅的槽开口朝上。本发明中，金属层上表面设有间隔排列的凹槽，形成类似于光栅的结构，称为类光栅结构。

将刻线精度达到纳米量级的光栅称为纳米光栅，与传统光栅相比，其具有两个重要的特点：超精，刻线位置误差达到纳米量级；超细，刻线的宽度达到亚微米量级。本发明中，作为纳米介质光栅的介质为SiO₂、MgF₂或者PMMA。

等效均匀介质理论是一种求解亚波长光栅的衍射理论。亚波长光栅是指波长大于周期量级的光栅。等效均匀介质理论将亚波长光栅结构等效为一种均匀介质膜，这种膜的等效折射率随光栅占空比的变化而变化，一般来说，TE偏振TM偏振的等效折射率不同，将光栅等效为各向异性的均匀介质膜后，便可以采用薄膜光学中的方法求解光栅衍射。

现有介质光栅一般是利用衍射分光，金属光栅还具有偏振片的作用，即当光波入射到亚波长金属光栅表面时，TE偏振被屏蔽，TM偏振通过。波片则需要入射光的TE和TM偏振波都通过并且强度相等，而相位差变化，从而实现入射光偏振态的改变。当光波两正交方向的电场分量的相位差为90度时即为四分之一波片，具有把线偏光转化为圆偏振光的功能，当光波两正交方向的电场分量的相位差为180度时即为二分之一波片，具有转动线偏振光偏振角的作用。本发明首次利用类似光栅槽型的形状，制备的产品具有反射式波片的性能，而且在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能，同时解决了现有工艺存在的金属槽型难以制作的问题，取得了意想不到的技术效果。

上述技术方案中，所述金属为金、银、铝、镉等反射率高的材料；优选为铝。可以采用磁控溅射方式在所述纳米介质光栅上设置金属层。纳米介质光栅的槽被金属填充，凸起部分也被溅射同样厚的金属，从而形成类似光栅的槽型结构。

上述技术方案中，所述金属层顶端与介质光栅上表面的距离为30～50nm。如果最小距低于30nm，入射光会穿过金属层进而在与介质接触的表面激发表面等离子形成超透的现象，从而会大大降低波片的反射效率。然而如果金属层太厚，在制作产品的过程中金属表层的形貌会发上畸变，导致所设计波片的性能降低，甚至无法使用。

所述纳米介质光栅的周期为80～350nm，占空比为0.3～0.8，厚度为50～200nm。符合波片使用的常规波长。在波片的设计过程中，介质光栅结构的高度H1和占空比W/P对波片的相位差起到主要作用，金属层的厚度主要影响波片的反射效率，而介质光栅的周期在亚波长范围内对波片的性能有影响，如果介质光栅的周期超出合适范围，最后所得的波片会产生光栅的衍射效应，影响波片的使用效果；同时如果周期过小，则会大大增加波片制作的难度。

本发明还公开了上述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，包括以下步骤：首先，在介质材料上涂光刻胶；然后经曝光显影，再刻蚀光刻胶，接着去除残余光刻胶得到纳米介质光栅；最后，在纳米介质光栅上设置金属层，即得到亚波长反射式一维金属波片。本发明的波片是一维结构而不是二维的图形结构，因此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。

本发明中，所述采用双光束曝光显影；用反应离子束刻蚀光刻胶；采用磁控溅射方式在所述纳米介质光栅上设置金属层。

根据需要的结构尺寸，在光刻胶上显影出图案，用反应离子束刻蚀未固化光刻胶以及介质材料，在介质表面形成光栅凹槽；再浸入丙酮溶液去除固化光刻胶得到纳米介质光栅；最后溅射金属形成类金属光栅槽型结构层，从而得到亚波长反射式一维金属波片。

本发明的原理是：由于类光栅槽型具有各向异性的特性，平行栅线和垂直栅线的两个方向上的折射率不相同，当入射的线偏振光以偏振方向与栅线成角入射到金属线栅上时，反射场沿两正交方向分量的相位会有差异。当两者相位差满足是180度的奇数倍，并且振幅Ex 、Ey相等时，即为二分之一波片；当两者相位差满足是90度的奇数倍，并且振幅Ex 、Ey相等时，即为四分之一波片。本发明首次设计出简单的结构和简单的制备工艺，得到了具有二分之一和四分之一波片的功能产品，取得了意想不到的效果。

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类似光栅结构的亚波长反射式一维金属波片，其在不同度的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能，在线偏光的偏振入射角为45度时，平均反射率在80%以上。

2．本发明所公开的亚波长反射式一维金属波片结构合理、易于制作，纳米光栅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波片的缺陷。

3．本发明公开的亚波长反射式一维金属波片原料来源广、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为实施例一的亚波长反射式一维金属波片结构示意图；

其中，1为金属层，2为纳米介质光栅；

图2为实施例一的亚波长反射式一维金属波片剖视结构示意图；

图3为实施例一种亚波长反射式一维金属波片的反射光的相位差和振幅比的走势图；

图4为实施例一种亚波长反射式一维金属波片对于不同偏振方向入射线偏光的反射率曲线图；

图5为实施例二的亚波长反射式一维金属波片的反射光的相位差和振幅比的走势图；

图6为实施例二的亚波长反射式一维金属波片对于不同偏振方向入射线偏光的反射率曲线。

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:

参见附图1，本发明提供的亚波长反射式一维金属波片是由纳米介质光栅2及位于该纳米介质光栅上表面的金属层1组成，金属层表面具有类光栅槽型结构，纳米介质光栅的槽被金属填充；其中，介质光栅的槽型和几何尺寸直接决定了类金属光栅的槽型和几何尺寸。本发明的一维结构是指在三维空间中只在一个维度有变化的结构，如纳米线等。

本发明的亚波长反射式一维金属波片的制作方法包括以下步骤：首先，在介质面上进行涂一层厚度为H1（H1由所设计的光栅槽深确定）的光刻胶，根据需要的结构尺寸，经过双光束曝光显影，在光刻胶上显影出图案，并采用反应离子束刻蚀未固化光刻胶以及介质材料，在介质表面形成光栅凹槽，槽深H1；浸入丙酮溶液去除残余光刻胶得到介质光栅；最后，在转移好的介质光栅上采用磁控溅射方法镀上一层厚度为H1+H2（H2大于30nm）的金属层，从而得到亚波长反射式一维金属波片。

实施例一

参见附图2，本实施例中介质光栅材料为SiO₂，周期P=300nm，介质光栅厚度H1=100nm，占空比W/P=0.5，金属铝层类光栅厚度H1+H2=140nm。该结构在514nm-536nm波段内可看作二分之一波片，椭圆率在0.08以内；同时该结构在676nm-704nm有可看作四分之一波片，椭圆率在0.87-0.91范围内，在线偏光的偏振入射角为45度时，平均反射率在80%以上。

参见附图3，为上述亚波长反射式一维金属波片在0.4um～1um波段，反射光在两正交方向分量Ex 、Ey的相位差和振幅比的走势图；由相位差曲线我们可以看出在短波段（0.4um）两正交方向分量的相位差可达到4.5rad，随着波段的增长，相位差成连续递减趋势。在波长为1um处相位差为0.5rad，因此相位差会在两个不同的波段达到180度和90度即二分之一波片和四分之一波片所需的相位差。同时，由振幅比在0.4um～1um波段相对稳定在1.16-1.06以内，因此两个分量的相对值可以看作近似相等。在相位差在5%的误差范围内该结构在514nm-536nm波段内可看作二分之一波片；同时该结构在676nm-704nm可看作四分之一波片。

参见附图4，为上述亚波长反射式一维金属波片在0.4um～1um波段对于不同偏正方向入射线偏光的反射率曲线图。如图可知入射光的偏振角对波片的反射率有影响，当线偏光的偏振入射角（即TM波）时，反射率最小，当线偏光的偏振入射角（即TE波）时，反射率最大。当线偏光的偏振入射角为45度时，反射率在80%以上。

实施例二

本实施例中介质光栅材料为MgF₂，周期P=250nm，介质光栅厚度H1=118nm，占空比W/P=0.4，金属铝层类光栅厚度H1+H2=158nm。该结构在511nm-549nm波段内可看作二分之一波片，椭圆率在0.07以内；同时该结构在763nm-810nm有可看作四分之一波片，椭圆率在0.88-0.90范围内，在线偏光的偏振入射角为45度时，平均反射率在75%以上。

参见附图5，为上述实例二中亚波长反射式一维金属波片在0.4um～1um波段，反射光在两正交方向分量Ex 、Ey的相位差和振幅比的走势图；由相位差曲线我们可以看出在短波段（0.4um）两正交方向分量的相位差可达到4.5rad，随着波段的增长，相位差成连续递减趋势。在波长为1um处相位差为1.0rad，因此相位差会在两个不同的波段达到180度和90度即二分之一波片和四分之一波片所需的相位差。同时，由振幅比在0.4um～1um波段相对稳定在1.12-1.02以内，因此两个分量的相对值可以看作近似相等。在相位差在5%的误差范围内该结构在511nm-549nm波段内可看作二分之一波片；同时该结构在763nm-810nm可看作四分之一波片。

参见附图6，为上述实例二中亚波长反射式一维金属波片在0.4um～1um波段对于不同偏正方向入射线偏光的反射率曲线图。如图可知入射光的偏振角对波片的反射率有影响，当线偏光的偏振入射角（即TM波）时，反射率最小，当线偏光的偏振入射角（即TE波）时，反射率最大。当线偏光的偏振入射角为45度时，反射率在75%以上。

Claims (9)

1.一种亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，在介质材料上涂光刻胶；然后经曝光显影，再刻蚀光刻胶，接着去除残余光刻胶得到纳米介质光栅；最后，在纳米介质光栅上设置金属层，即得到亚波长反射式一维金属波片；所述亚波长反射式一维金属波片，包括纳米介质光栅及位于所述纳米介质光栅上的金属层；所述金属层与所述纳米介质光栅之间无间隙；所述金属层上表面设有类光栅结构；所述纳米介质光栅的周期为80～350nm，占空比为0.3～0.8，厚度为50～200nm。

2.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述金属层连续。

3.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述金属为金、银、铝或者镉。

4.根据权利要求3所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述金属为铝。

5.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：采用磁控溅射方式在所述纳米介质光栅上设置金属层。

6.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述纳米介质光栅的介质为SiO₂、MgF₂或者PMMA。

7.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述金属层顶端与介质光栅上表面的距离为30～50nm。

8.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：所述纳米介质光栅的周期为250～300nm，占空比为0.4～0.5，厚度为100～120nm。

9.根据权利要求1所述亚波长反射式一维金属波片的制备方法，其特征在于：采用双光束曝光显影；用反应离子束刻蚀光刻胶；利用丙酮去除残余光刻胶；采用磁控溅射方式在所述纳米介质光栅上设置金属层。