CN108801461A - 一种超表面圆偏振光检测元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超表面圆偏振光检测元件，由透光基底和设置在该透光基底上的阵列的旋转对称手性介质结构单元构成，所述旋转对称手性介质结构由两对介质臂交叉构成，所述的旋转对称手性介质结构彼此之间有空隙。该元件可通过电子束曝光和显影技术以及反应离子束刻蚀等工艺流程制得。本发明具有很强的圆偏振二色性，可实现圆偏振态区分，其圆偏振二色性在1.75μm波段处最高可达96.8％，同时其性能优异，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。
Description
技术领域
本发明涉及偏振光学检测元件，具体涉及一种超表面圆偏振光检测元件及其制备方法。
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。传统区分左旋、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(参见张立培，一种胆甾相液晶及其反射式圆偏振片和制备方法，CN105425327A)。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，J.K.Gansel等人提出并制作了一种宽带的圆偏振光检偏器(J.K.Gansel,Science,325,1513(2009))，即在介质基底上周期性的放置螺旋上升金线，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。他们在4-8μm得到圆二色性平均为70％的宽带圆偏振片。但这种结构工艺复杂，难于制作。2014年，Y.Cui等人设计并制作了双层弧形金属(Ag)结构(Y.Cui,Nano.Lett.14,1021-1025(2014))，他们在高低不同的台阶上分别设置圆弧形金属线结构，并实验上在1.4μm处得到最大圆二色性为35％。2017年，罗先刚课题组利用Si材料超表面结构在远红外波长处(～10μm)，得到了圆偏振二色性为60％的结果(F.Zhang,Adv.Funct.Mater.,1704295,(2017))，显示了超薄平面二维介质结构实现圆偏振起偏和检测的可能性。
综上所述，现有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。现有技术存在结构区分度低，制备工艺复杂，并且与传统半导体工艺不兼容等缺点，因此限制了圆偏振检测技术的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种超表面圆偏振光检测元件及其制备方法，该元件能够对左右旋圆偏振光的区分，且区分度高，同时还具有结构简单、易于制作等特点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种超表面圆偏振光检测元件，该元件由透光基底和设置在该透光基底上的阵列的旋转对称手性介质结构单元构成，所述旋转对称手性介质结构单元由两对介质臂交叉构成，所述的旋转对称手性介质结构单元彼此之间有空隙。
旋转对称手性介质结构为二维手性结构，手性结构是指自身的镜像不能够与自身重合，旋转对称手性介质结构能够对入射的左右旋圆偏振光有着不同的吸收、反射和透射作用，即圆偏振二色性。
所述的旋转对称手性介质结构单元的周期的变化范围为1.0～1.20μm，所述的旋转对称手性介质结构的厚度的变化范围为0.26～0.29μm，第一臂的长度的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂的长度的变化范围为1.0～1.07μm且小于等于周期，第一臂的宽度的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂的宽度的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂中心点之间的水平距离的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂之间的中心距离的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂的方向为纵向，第一臂与第二臂之间的夹角θ的变化范围为40°～55°。
上述技术方案中，旋转对称手性介质结构刻蚀在半导体材料介质层上，半导体材料介质层在透光基底上方，在刻蚀的过程中旋转对称手性介质结构彼此之间有空隙；且结构尺寸小于结构单元周期。
优化的结构参数为：旋转对称手性介质结构单元的周期为1.05μm，所述的旋转对称手性介质结构的厚度为0.27μm，第一臂的长度为0.6μm，第二臂的长度为1.05μm，第一臂的宽度为0.15μm，第二臂的宽度为0.2μm，2个第一臂中心点之间的水平距离为0.25μm，2个第二臂之间的中心距离为0.3μm，所述的第二臂的方向为纵向，第一臂与第二臂之间的夹角θ为45°。
由于介质对于入射光的吸收远远小于金属，因此全介质手性结构能够达到较高的圆偏振二色性，其圆偏振二色性在1.75μm波段处最高可达96.8％。
上述技术方案中，所述的透光基底材料为二氧化硅透光基底材料，所述的介质结构材料为硅、锗、砷化镓等半导体材料，优选硅半导体材料。该制作工艺较为成熟，而且价格便宜、容易获取。
上述超表面圆偏振光检测元件的制备方法，包括如下步骤：
(1)在透光基底表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层介质结构层；
(2)在介质结构层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀介质结构层，去除残余光刻胶得到超表面圆偏振光检测元件。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明超表面圆偏振光检测元件，具有很强的圆偏振二色性，能实现圆偏振态区分，其圆偏振二色性在1.75μm波段处最高可达96.8％。
2.本发明超表面圆偏振光检测元件旋转对称手型结构为2D结构，并且结构尺寸参数可调，制备方法与现有的半导体制作工艺完全兼容；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.本发明超表面圆偏振光检测元件原料为二氧化硅和硅，材料来源广、制备简易，相比现有技术财力、时间成本更低；同时其性能优异，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为本发明超表面圆偏振光检测元件结构示意图；其中：1、透明基底；2、旋转对称手性介质结构。
图2为本发明超表面圆偏振光检测单元结构示意图；其中：P、旋转对称手性介质结构单元的周期；21、第一臂，L1、第一臂长度，W1、第一臂宽度，d1、2个第一臂中心点之间的水平距离；22、第二臂，L2、第二臂长度，W2、第二臂宽度，d2、2个第二臂之间的中心距离；θ、第一臂与第二臂之间的夹角。
图3为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构介质层厚度H的变化曲线；
图4为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构双臂21和22夹角θ的变化曲线；
图5为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构臂21长度L1的变化曲线；
图6为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构臂22长度L2的变化曲线；
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一
请参见图1所示，本发明超表面圆偏振光检测元件由透光基底1和设置在该透光基底上的阵列的旋转对称手性介质结构单元2构成，所述的旋转对称手性结构彼此之间有空隙。
所述的旋转对称手性结构单元如图2所示，旋转对称手性介质结构单元的周期P为1.05μm，旋转对称手性介质结构的厚度H为0.27μm，第一臂21的长度L1为0.6μm，第二臂22的长度L2为1.05μm，第一臂21的宽度W1为0.15μm，第二臂22的宽度W2为0.2μm，2个第一臂21中心点之间的水平距离d1为0.25μm，2个第二臂22之间的中心距离d2为0.3μm，所述的第二臂22的方向为纵向，第一臂21与第二臂22之间的夹角θ为45°。
该元件通过如下步骤制得：
(1)使用化学气相沉积法在二氧化硅透光基底上生长出一层硅半导体材料介质层；
(2)在硅半导体材料介质层上涂一层光刻胶负胶，利用电子束曝光技术刻出旋转对称手性的光刻胶结构；
(3)使用电子束曝光显影技术刻出光刻胶结构；
(4)使用反应离子束工艺刻蚀半导体材料介质层，再使用丙酮去除残余光刻胶即可得到该超表面圆偏振光检测元件。
图3为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构介质层厚度H的变化曲线。可以看出，随着介质层厚度的增加，圆偏振检测元件的响应波段整体出现红移，工作波长也随之红移。
图4为实施例一的超表面圆偏振光检测元件的圆偏振二色性随结构双臂21和22夹角θ的变化曲线。可以看出，随着双臂之间夹角的增加，圆偏振检测元件的响应波段未出现变化，但工作波段处峰值的半高宽度随之增加。
图5与图6分别为实施例一的超表面圆偏振检测元件的圆偏振二色性随结构臂21的长度L1和22的长度L2的变化曲线。可以看出，随着结构臂L1长度的增加，圆偏振检测元件的响应波段整体出现蓝移，工作波长也随之蓝移。然而，随着结构臂L2长度的增加，结构的响应峰值几乎不变，但远波段处(～1.9μm)的峰值出现蓝移且峰值增加。
实施例2
旋转对称手性介质结构参数为：介质结构层的厚度H为0.26μm；旋转对称手性介质结构的周期P为1.0μm，臂长L1为0.5μm，臂长L2为1.0μm，两臂L1中心点之间的水平距离d1为0.21μm，两臂L2之间的距离d2为0.24μm，臂宽W1为0.12μm，臂宽W2为0.17μm，两臂21与22之间的夹角θ为40°。
实施例3
旋转对称手性介质结构参数为：介质结构层的厚度H为0.29μm；旋转对称手性介质结构的周期P为1.2μm，臂长L1为0.8μm，臂长L2为1.07μm，两臂L1中心点之间的水平距离d1为0.27μm，两臂L2之间的距离d2为0.33μm，臂宽W1为0.21μm，臂宽W2为0.26μm，两臂21与22之间的夹角θ为55°。
Claims (4)
1.一种超表面圆偏振光检测元件，其特征在于该元件由透光基底(1)和设置在该透光基底上的阵列的旋转对称手性介质结构单元(2)构成，所述旋转对称手性介质结构单元(2)由两对介质臂交叉构成，所述的旋转对称手性介质结构单元彼此之间有空隙；
所述的旋转对称手性介质结构单元的周期(P)的变化范围为1.0～1.20μm，所述的旋转对称手性介质结构的厚度(H)的变化范围为0.26～0.29μm，第一臂(21)的长度(L1)的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂(22)的长度(L2)的变化范围为1.0～1.07μm且小于等于周期(P)，第一臂(21)的宽度(W1)的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂(22)的宽度(W2)的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂(21)中心点之间的水平距离(d1)的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂(22)之间的中心距离(d2)的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂(22)的方向为纵向，第一臂(21)与第二臂(22)之间的夹角θ的变化范围为40°～55°。
2.根据权利要求1所述的超表面圆偏振光检测元件，其特征在于，所述的旋转对称手性介质结构单元的周期(P)为1.05μm，所述的旋转对称手性介质结构的厚度(H)为0.27μm，第一臂(21)的长度(L1)为0.6μm，第二臂(22)的长度(L2)为1.05μm，第一臂(21)的宽度(W1)为0.15μm，第二臂(22)的宽度(W2)为0.2μm，2个第一臂(21)中心点之间的水平距离(d1)为0.25μm，2个第二臂(22)之间的中心距离(d2)为0.3μm，第一臂(21)与第二臂(22)之间的夹角θ为45°。
3.根据权利要求1所述的超表面圆偏振光检测元件，其特征在于，所述的透光基底材料为二氧化硅透光基底材料，所述的介质结构材料为硅、锗或砷化镓半导体材料。
4.权利要求1所述的超表面圆偏振光检测元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在透光基底表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层介质结构层；
(2)在介质结构层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀介质结构层，去除残余光刻胶得到超表面圆偏振光检测元件。
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