CN108761617A - 介质腔增强型高反射波片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种介质腔增强型高反射波片及其制备方法，该波片包括介质基底，在介质基底上自下而上依次是金属反射层、介质光栅共振腔层和金属光栅层，所述的金属反射层是连续的，厚度H1为50～100nm；所述的介质光栅共振腔层和金属光栅层是不连续的，所述的介质光栅共振腔层的光栅和金属光栅层的光栅具有相同的周期P，P值为100～300nm，占空比W/P为0.3～0.7，所述的介质光栅共振腔层的厚度H2为50～80nm，所述的金属光栅层的厚度H3为150～200nm。本发明波片具有高反射的光学性能、制作工艺简单，并且在不同波段实现了二分之一和四分之一波片的功能。该器件在光学传感系统、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。

Description

介质腔增强型高反射波片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种偏振光学元件制备技术，具体涉及一种介质腔增强型高反射波片及其制备方法。

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。

利用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(参见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、厚度的排列方式，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(参见A.Khoo,Opt.Lett.,36(9):1626-1628(2011))，分别通过控制十字形、矩形结构的两臂长或边长，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(参见王钦华，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、玻璃层和第二层金属层。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(参见T.Ribaudo,Opt.Express,22(3),2821-2829(2014))，该波片包括第一层金属层、玻璃层和第二层金属光栅层。通过调节入射角度可以在不同波长实现半波片的功能。

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，需要使用激光直写技术或电子束直写技术，因此上述结构都存在工艺复杂，制作难度大，成本昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术难题，提供一种介质腔增强型高反射波片及其制备方法，该波片具有高反射的光学性能、制作工艺简单，并且在不同波段实现了二分之一和四分之一波片的功能。该器件在光学传感系统、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如下：

一种介质腔增强型高反射波片，包括介质基底，其特点在于在介质基底上自下而上依次是金属反射层、介质光栅共振腔层和金属光栅层，所述的金属反射层是连续的，厚度H1为50～100nm；所述的介质光栅共振腔层和金属光栅层是不连续的，所述的介质光栅共振腔层的光栅和金属光栅层的光栅具有相同的周期P，p值为100～300nm，占空比W/P为0.3～0.7，所述的介质光栅共振腔层的厚度H2为50～80nm，所述的金属光栅层的厚度H3为150～200nm。

所述的基底材料为SiO₂、Al₂O₃或者Si。

所述的介质光栅共振腔层的材料为SiO₂、MgF₂或者Al₂O₃。

所述的金属光栅层和金属反射层的材料为Ag、Al或者Au。

上述介质腔增强型高反射波片的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)利用磁控溅射镀膜工艺在所述的介质基底上依次镀上H1厚度的金属反射层、H2厚度的介质层和H3厚度的金属层；

2)在所述的金属层上旋涂光刻胶；然后经曝光显影，形成光刻胶光栅结构；

3)采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述的金属层和介质层形成光栅；

4)最后经过丙酮溶液除去残胶，得到介质腔增强型高反射波片。本

本发明的原理是：

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光栅上时，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.本发明介质腔增强型高反射波片，在不同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度正入射时，平均反射率在95％。

2.本发明介质腔增强型高反射波片具有超薄，体积小等优势，并且原料来源广、制备工艺简单，相比现有技术财力、时间成本更低；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为本发明介质腔增强型高反射波片的结构示意图；

图2为实施例中反射光的相位差和振幅比(Ey/Ex)随波长变化的走势图；其中和(Ey_c/Ex_c)分别为对应无介质腔光栅结构的相位差和振幅比。

图3为实施例中反射率随波长变化曲线图；其中R_c为对应无介质腔光栅结构的反射率。

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，图1为本发明介质腔增强型高反射波片的结构示意图，本发明介质腔增强型高反射波片实施例，包括二氧化硅介质基底，在基底上层依次设置金属银反射层、二氧化硅介质光栅共振腔层和金属银光栅层。所述二氧化硅介质光栅共振腔层的光栅和金属银光栅层的光栅具有相同的周期P，其值为300nm,占空比W/P为0.5。其中，银金属反射层的厚度H1为80nm，二氧化硅介质光栅共振腔层的厚度H2为60nm，金属银光栅层的厚度H3为150nm。

参见图2，为介质腔增强型高反射波片Ex，Ey两方向偏振分量的位相差。由图2可知，该结构在1367nm-1164nm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782nm-793nm和1544-1596nm有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°正入射情况下，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的入射角度。此外，图2也给出了无介质腔光栅结构所引起的位相差和振幅比(Ey_c/Ex_c)，其中位相差较小，不能满足多波段波片的要求，且振幅比偏大，需要后期角度补偿。

参见图3，本发明介质腔增强型高反射波片在偏振方位角在45°正入射情况下，器件在750～1750nm波段的平均反射率在95％。此外，图3也给出了对应无介质腔光栅结构的反射率Rc；可以看出介质腔增强型光栅结构的反射率在整个波段的反射率较高，且波动性很小。因此，介质腔增强型高反射波片具有较好的光学性能。

Claims (5)

1.一种介质腔增强型高反射波片，包括介质基底，其特征在于在介质基底上自下而上依次是金属反射层、介质光栅共振腔层和金属光栅层，所述的金属反射层是连续的，厚度H1为50～100nm；所述的介质光栅共振腔层和金属光栅层是不连续的，所述的介质光栅共振腔层的光栅和金属光栅层的光栅具有相同的周期P，p值为100～300nm，占空比W/P为0.3～0.7，所述的介质光栅共振腔层的厚度H2为50～80nm，所述的金属光栅层的厚度H3为150～200nm。

2.根据权利要求1所述的介质腔增强型高反射波片，其特征在于所述的基底材料为SiO₂、Al₂O₃或者Si。

3.根据权利要求1所述的介质腔增强型高反射波片，其特征在于所述的介质光栅共振腔层的材料为SiO₂、MgF₂或者Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的介质腔增强型高反射波片，其特征在于所述的金属光栅层和金属反射层的材料为Ag、Al或者Au。

5.权利要求1所述的介质腔增强型高反射波片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)利用磁控溅射镀膜工艺在所述的介质基底上依次镀上H1厚度的金属反射层，H2厚度的介质层和H3厚度的金属层；

2)在所述的金属层上旋涂光刻胶；然后经曝光显影，形成光刻胶光栅结构；

3)采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述的金属层和介质层形成光栅；

4)最后经过丙酮溶液除去残胶，得到介质腔增强型高反射波片。