CN108761616B - 多波段高反射柔性波片及其制备方法 - Google Patents

多波段高反射柔性波片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片及其制备方法，结构包括纳米金属镍光栅基底，其特点在于，在所述的纳米金属镍光栅基底上依次设置第一金属层、介质共振腔层和第二金属层，所述的第一金属层为连续，即基底镍光栅槽被完全填充；所述的共振腔介质层和第二金属层都不连续地分布在所述的基底镍光栅的光栅槽和栅脊位置。本发明波片由传统的双光束曝光工艺结合电铸工艺制备而成，本发明的波片采用传统的工艺大面积制作，在不同的波段可实现二分之一和四分之一波片的功能。具有多波段、高反射和柔性的性能，且不需要刻蚀金属，制作简单，并且该器件可用于柔性显示，可穿戴柔性产品等方面。

Description

多波段高反射柔性波片及其制备方法
技术领域
本发明涉及偏振光学元件，特别是一种基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片及其制备方法。
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。E.H.Khoo提出了透射型等离子1/4波片的结构以及实现方法(E.H.Khoo,Opt.Lett.,36(13):2498-2500(2011))，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。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(A.Khoo,Opt.Lett.,36(9):1626-1628(2011))，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(王钦华，宽带反射型亚波长矩形环阵列1/4波片及制作方，法CN201310343575.9)。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，T.Ribaudo等人设计并制作了可调谐多波段反射式半波片(T.Ribaudo,Opt.Express,22(3),2821-2829(2014))，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，一般存在单波段限制、反射率低等缺点；在设计上大多是二维结构，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。此外，该类型波片采用二氧化硅、氧化铝和硅材料等硬质基底，不具有可弯曲的性质，因此无法满足可穿戴柔性器件等方面的应用。为了克服现有技术难题，本发明提出一种基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片，该波片具有反射率高、可弯曲的优点，并且在不同的波段能够同时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多波段高反射柔性波片；该波片由传统的双光束曝光工艺结合电铸工艺制备而成，其基底具有柔性、光学性能优良，并且在不同的波段实现了二分之一和四分之一波片的功能。该器件可用于柔性显示，可穿戴柔性产品等方面。
为达到上述发明目的，本发明的技术解决方案如下：
一种多波段高反射柔性波片，包括纳米金属镍光栅基底，其特点在于，在所述的纳米金属镍光栅基底上依次设置第一金属层、介质共振腔层和第二金属层，所述的纳米金属镍光栅的周期P为100～400nm,占空比W/P为0.4～0.6，厚度H1为120～180nm；所述的第一金属层为连续，即基底镍被完全填充；所述的共振腔介质层和第二金属层都不连续地分布在所述的基底镍光栅的光栅槽和栅脊位置，所述的第一金属层的厚度H2为140～200nm，所述的共振腔介质层的厚度H3为30～80nm，所述的第二金属层的厚度H4为50～80nm。
所述的共振腔层的介质为SiO2、MgF2或Al2O3；所述的第一金属层、第二金属层的金属为Ag、Al或者Au。
上述多波段高反射柔性波片的制备方法，其特点在于该方法包括以下步骤：
1)在介质的面上涂一层厚度为H1的光刻胶，H1由所设计的光栅槽深确定；
2)根据需要的光栅结构尺寸，经过双光束曝光显影，在光刻胶上显影出图案；
3)采用磁控溅射方法镀上一层厚度为H2的第一金属层，H2-H1大于20nm；
4)采用电铸工艺制备出全金属的光栅基底；
5)浸入丙酮溶液进行溶解分离，并使用异丙醇、无水酒精清洗全金属的光栅基底上残留的光刻胶，得到金属镍光栅基底结构；
6)采用电子束蒸发工艺依次在所述的金属镍光栅基底的光栅槽和栅脊位置上沉积出厚度为H3的介质共振腔层和厚度为H4的第二金属层，从而得到基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片。
本发明的原理是：
金属光栅具有偏振片的作用，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。同时，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是不相同的，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，具有转动线偏振光偏振角的作用。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，具有把线偏光转化为圆偏振光的功能。
本发明与现有技术相比具有下列优点:
1、本发明首次利用双层介质共振腔增强型结构，使得Ex和Ey之间的相位差进一步增大，可满足波片多波段的应用。该结构设计和制备工艺制备的波片产品具有多波段、高反射和柔性的性能，而且在不同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。
2、本发明首次公开了带有双层介质共振腔结构的基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片，在不同的波段可实现二分之一或四分之一波片的功能，在线偏光的偏振角为45度正入射时，最低反射率在90％以上。本发明的波片采用传统的工艺大面积制作，具有多波段、高反射和柔性的性能，且不需要刻蚀金属，制作简单，有较好的应用前景。
3、本发明多波段高反射柔性波片具有可弯曲柔性的特征，可用于柔性显示，可穿戴柔性器件等方面。
4、本发明公开的基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片的新型制备工艺，即采用传统双光束曝光结合掩模版制备工艺的电铸技术，可实现波片的大面积、低成本，高效率的制备。
附图说明
图1为本发明多波段高反射柔性波片的结构示意图；
图2为本发明多波段高反射柔性波片实施例反射光的相位差
Figure BDA0001606926850000041
和振幅比(Ey/Ex)随波长变化的走势图；
图3为本发明多波段高反射柔性波片实施例反射率随波长变化曲线图；
图4为本发明多波段高反射柔性波片实施例本发明结构制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
参见图1，本发明多波段高反射柔性波片实施例，包括具有纳米金属镍光栅的基底，在基底上层依次设置第一银金属层、二氧化硅共振腔层和第二银金属层。所述的共振腔介质层和第二金属层都不连续地分布在所述的基底镍光栅的光栅槽和栅脊位置，所述纳米金属镍光栅的周期P为250nm,占空比W/P为0.5，厚度H1为140nm；所述的第一金属层的厚度H2为160nm，共振腔介质层层的厚度H3为50nm，第二金属层的厚度H4为50nm。
参见图2，本实施例的介质光栅材料为SiO2，金属层的材料为Ag。
Figure BDA0001606926850000051
为Ex，Ey两方向偏振分量的位相差。由图2可知，该结构在936nm-954nm波段内可看作二分之一波片，位相差误差在±3.0°以内；同时该结构在665nm-675nm和1307-1335nm可看作四分之一波片，位相差误差在±1.5°以内。此外，光的偏振方位角在45°入射情况下，Ex和Ey两偏振分量的比值(Ey/Ex)始终在1-1.02以内，因此器件使用过程中无需调整偏振光入射角度。
参见图3，本发明多波段高反射柔性波片在偏振方位角在45°入射情况下，器件在650～1400nm波段的反射率在90％以上，可以满足市场对高性能反射偏振器件的需求。
参见图4，本发明多波段高反射柔性波片一个实施例的制备方法，包括以下步骤：
1)在介质(SiO2)面上涂一层厚度为H1的光刻胶(resist)，H1由所设计的光栅槽深确定，如图4Ⅰ所示；
2)根据需要的光栅结构尺寸，经过双光束曝光显影，在光刻胶上显影出图案，如图4Ⅱ所示；
3)采用磁控溅射方法镀上一层厚度为H2的第一金属层(Ag)，H2-H1大于20nm，如图4Ⅲ所示；
4)采用电铸工艺制备出全金属(Ni)的光栅基底，图4Ⅳ所示；
5)浸入丙酮溶液进行溶解分离，并使用异丙醇、无水酒精清洗全金属的光栅基底上残留的光刻胶，得到金属镍光栅基底结构，如图4Ⅴ所示；
6)采用电子束蒸发工艺依次在所述的金属镍光栅基底结构的光栅槽和栅脊位置上沉积出厚度为H3的介质(SiO2)共振腔层和厚度为H4的第二金属层(Ag)，从而得到基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片，如图4Ⅵ。
实验表明，本发明基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片在不同的波段可实现二分之一或四分之一波片的功能，在线偏光的偏振角为45度正入射时，最低反射率在90％以上。本发明的波片采用传统的工艺大面积制作，具有多波段、高反射和柔性的性能，且不需要刻蚀金属，制作简单，有较好的应用前景。

Claims (3)

1.一种多波段高反射柔性波片，包括纳米金属镍光栅基底，其特征在于，在所述的纳米金属镍光栅基底上依次设置第一金属层、介质共振腔层和第二金属层，所述的纳米金属镍光栅的周期P为100～400nm,占空比W/P为0.4～0.6，厚度H1为120～180nm；所述的第一金属层为连续，即基底镍光栅槽被完全填充；所述的共振腔介质层和第二金属层都不连续地分布在所述的基底镍光栅的光栅槽和栅脊位置，所述的第一金属层的厚度H2为140～200nm，所述的共振腔介质层的厚度H3为30～80nm，所述的第二金属层的厚度H4为50～80nm。
2.根据权利要求1所述的多波段高反射柔性波片，其特征在于，所述的共振腔层的介质为SiO2、MgF2或Al2O3；所述的第一金属层、第二金属层的金属为Ag、Al或者Au。
3.权利要求1所述的多波段高反射柔性波片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)在介质的面上涂一层厚度为H1的光刻胶，H1由所设计的光栅槽深确定；
2)根据需要的光栅结构尺寸，经过双光束曝光显影，在光刻胶上显影出图案；
3)采用磁控溅射方法镀上一层厚度为H2的第一金属层，H2-H1大于20nm；
4)采用电铸工艺制备出全金属的光栅基底；
5)浸入丙酮溶液进行溶解分离，并使用异丙醇、无水酒精清洗全金属的光栅基底上残留的光刻胶，得到金属镍光栅基底结构；
6)采用电子束蒸发工艺依次在所述的金属镍光栅基底结构的光栅槽和栅脊位置上沉积出厚度为H3的介质共振腔层和厚度为H4的第二金属层，从而得到基于表面等离子共振的多波段高反射柔性波片。
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