CN108845385A

CN108845385A - 基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器

Info

Publication number: CN108845385A
Application number: CN201810692086.7A
Authority: CN
Inventors: 林雨; 王钦华; 胡敬佩; 徐铖
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-11-20
Also published as: CN106199814A; CN106199814B

Abstract

本发明公开了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，包括基底、过渡层以及像素层；像素层由超像素结构单元阵列组成；超像素结构单元包括0°趋向的双层纳米光栅、45°趋向的双层纳米光栅、135°趋向的双层纳米光栅以及90°趋向的双层纳米光栅；双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；介质光栅的周期为260nm‑300nm，占空比为0.5‑0.7，厚度为90nm‑110nm；金属层的厚度为70nm‑90nm；在双层金属纳米光栅像素块的基底表面引入一层低折射率的过渡层，过渡层的引入不仅提高了器件的效果而且避免了对金属的刻蚀，使得制作工艺更为方便快捷。

Description

基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器

本发明属于发明名称为基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器、申请号为201610810350.3、申请日为2016年9月8日发明申请的分案申请，属于制备方法技术部分。

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振的制备方法。

背景技术

近年来，随着偏振技术的不断发展，其在目标识别与探测方面发挥着越来越重要的作用。由菲涅尔公式可知，当物体在发射、散射、反射以及透射电磁波的过程中，会产生偏振信息，并且这些偏振信息与物体本身特性息息相关。不同物体甚至处于不同环境下的相同物体的偏振信息都会有所不同。偏振探测可以提供比传统强度探测和光谱探测更多的关于目标的信息。偏振成像技术成为传统强度成像和光谱成像之外的第三种成像技术，逐渐引起各国研究者越来越多的关注。偏振成像技术是将偏振探测技术与成像技术相结合的产物，其主要是通过合适的偏振监测设备获取测试目标的不同偏振分量，成像系统利用这些带有部分或者全部偏振信息的测试光来成像，从而获得了测试目标的偏振图像。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以用来获取被测目标的众多特征信息，包括形状、材料、粗糙度以及水分含量等信息。

近几十年来，偏振成像技术已经成为国内外众多高校和科研机构的研究对象，在天文探测、目标识别、医疗、军事、测量等众多方面具有重要的作用，发挥着巨大的潜力。例如：在天文领域，偏振成像探测最早应用于行星表面土壤、大气探测和恒星、行星以及星云状态等的探测。在许多天文观测领域，利用偏振测量或者偏振成像进行辅助测量都是非常理想的选择。一般来说，自然环境与人造物体由于各自特性的不同其偏振信息区别较大，通过偏振成像技术可以非常容易的区分人造物体与自然背景，并且偏振信息图像的对比度大于其他成像方式所获得的图像，在目标检测或增强方面具有非常大的优势。在医疗领域，可以通过偏振图像进行无接触、无痛和无损的病变检测，尤其适用于皮肤和眼部的检测。由于偏振成像探测在目标识别方面具有的众多优势，其在军事方面也具有非常重要的应用价值，在区分军事伪装物与自然环境的优势使偏振成像技术成为非常有效的军事识别手段。

传统的偏振成像技术一般是通过高速旋转偏振片，来获得物体不同偏振方向的信息，但是这种方法只能适用于静态物体或者低速移动物体的探测，无法实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并且这种方法对成像系统的稳定性要求比较高。像素式多取向微型偏振器阵列的出现解决了这个问题，它通过将不用取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。

应用于偏振器件最多的就是亚波长金属光栅。所谓亚波长金属光栅是指金属光栅的周期远小于入射光波长。此时，亚波长金属光栅呈现出非常强烈的偏振敏感性，因而利用亚波长金属光栅实现线偏振信息的获取也越来越被人们所重视。近年来亚波长金属光栅在制备工艺、光栅性能以及器件应用等方面都有了长足的发展和进步。在制作工艺方面，全息曝光、电子束直写、纳米压印、激光直写、磁控溅射、离子束刻蚀、热蒸镀、电铸等技术得到不断发展。

随着亚波长金属光栅工艺的不断进步，性能也在不断提高，因而基于亚波长金属光栅的像素式微型线偏振器阵列的发展也越来越受到关注。1998年，美国阿拉巴马汉茨维尔大学的G. P. Nordin等人设计并制备了3~5μm波段的用于偏振成像的微型偏振器阵列。实验使用分步的方法，利用双光束曝光技术进行制备。实验制备样品基底材料为硅，阵列包含三个不同方向的光栅，阵列像素大小为16×16μm，每个像素都由周期为475nm的钼金属光栅组成。并将该偏振阵列与红外相机结合，得到了测量Stokes矢量前三个分量的偏振图像，实现了初步的偏振成像。但是由于采用分步式的双光束曝光技术进行制备实验样品，像素之间的间距较大。制备过程复杂费时，需要刻蚀金属，成本高成功率低。2008年，美国代顿大学Z. Wu等人设计并制备了用于红外偏振成像的金属线栅微型偏振器。此偏振器应用于1.6~5μm波段，并且设计者在硅基底与金属光栅直接加入了一层二氧化硅层以提高偏振器在短波波段的性能。Z. Wu等人利用深紫外投影曝光技术制备了400nm周期，占空比为0.7，厚度为140nm的金属光栅。利用可调节的红外激光器进行检测，TM光的透过率大于70%，在中红外波段消光比大于10⁴，在1.5μm以上波段消光比大于10²。

现有制备方法需要先镀一层二氧化硅在镀一层金属，还需要对金属进行刻蚀并保证将金属完全刻透（光栅槽中暴露出二氧化硅），对工艺精细度要求极高且耗时耗力，成功率极低不宜投入生产，样品的透过率与消光比均比像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的性能差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的设计与制作方法，能够实现实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并具有成像系统稳定性高，波段较宽，结构简单，制作过程中只需刻蚀过渡层而无需刻蚀金属，易于制作的特点。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器，包括基底、过渡层以及像素层；所述像素层由超像素结构单元阵列组成；所述超像素结构单元包括0°趋向的双层纳米光栅、45°趋向的双层纳米光栅、135°趋向的双层纳米光栅以及90°趋向的双层纳米光栅；所述双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；所述介质光栅的周期为260nm-300nm，占空比为0.5-0.7，厚度为90nm-110nm；所述金属层的厚度为70nm-90nm。

上述技术方案中，双层纳米光栅是介质与金属复合而成的双层光栅且双层光栅结构覆盖于过渡层之上，过渡层位于基底上；基底的厚度为0.5-1mm。基体为半导体基底，厚度约0.5~1mm；过渡层为二氧化硅过渡层、氟化镁过渡层或者PMMA过渡层；过渡层光栅为二氧化硅介质光栅、氟化镁介质光栅或者PMMA介质光栅；金属为铝、银或者金。优选的，所述基体为硅基底；所述过渡层为二氧化硅过渡层；所述介质光栅为二氧化硅介质光栅；所述金属为铝；可以有效提高制作效率、降低制作成本。将硅基复合双层纳米光栅结构以像素式多取向的形式进行阵列化集成，将不同取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。阵列集成实现从而能够同时获取物体不同方向的偏振信息，实现对物体的实时线偏振成像。本发明选择硅作为基底材料，在红外波段具有良好的透光性能以及物理、化学的稳定性。硅是电子信息材料中最具基础性的半导体类材料，微纳加工工艺相对比较成熟；而且硅是一种化学惰性材料，硬度高，不溶于水，并且其在1~7um波段具有很好的透光性能，表面反射率较高，导致整体透光率较低；结合本发明的双层光栅结构设计和工作波段，以硅为基底的产品具有比较大的折射率，有利于提高整体结构的出光效率和性能。

优选的，过渡层厚度H3为200nm，具有低折射率、成本可控；介质光栅的周期为P=280nm，占空比DC=0.6，介质光栅厚度H2=100nm，金属层的厚度为H1=80nm。简化了制作工艺和成本，极大的提高了制作效率，根据实施例结果，介质光栅高为100nm时（过渡层200nm，金属层80nm）可以获得90%以上的TM透过率，消光比也在55dB以上，且刻蚀100nm二氧化硅成功率极大，工艺相当成熟而且可以批量刻蚀，非常适合产业化大批量生产；当金属层厚度低于介质光栅高度时，金属层厚度越大，器件的消光比就越高，当金属层厚度为80nm，器件消光比接近60dB，当金属层厚度为90nm，器件消光比接近65dB，但是当金属层厚度为90nm时，器件的TM波的透过率在3~4um范围内极低，如果透过率过低，就无法保证能量能够有效透过，会严重影响器件实际性能，而金属层厚度为80nm，既能获得相当高的消光比，TM波透过率又都能够保持在90%以上；另外介质光栅与金属层有一定的高度差，在镀膜时，很难精确控制镀膜的厚度，如果金属层厚度选90nm，那么在镀膜时很有可能因操作不当造成镀膜过厚，从而使器件性能大大降低，也就降低了器件制备的成功率，而选金属层厚为80nm就可以有效避免这个问题，即使镀到90nm，那么对器件的整理影响也不会那么大，这样来讲，就降低了器件制备的工艺难度和制作成本。

本发明中，复合结构为双层纳米金属光栅结构，金属光栅产生偏振的原理为TE偏振激发金属线的电子而产生电流，使得该方向上的偏振光反射，而TM偏振光由于在该方向上有空气间隙将金属线阻拦而无法产生电流，此时光波会透过光栅。因此金属光栅在理论上能够达到较高的偏振光透过率和较高的消光比。通过在硅基底上面集成像素式多取向双层金属纳米光栅，可以在原有的成像系统上，增加偏振检测装置，配合相应的偏振调制器件和偏振测量算法，通过测量光线的各个偏振分量，进而得到被测光线的前3个Stokes矢量偏振状态信息，用以表征被测光线的偏振状态。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以进一步得到更多的偏振参数图像，如偏振度、偏振角、椭圆率角、偏振传输特性等图像，其结果可用于分析被测物的形状，粗糙度、介质性质甚至生物化学等各项特征信息。

本发明的基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器中，介质光栅及过渡层独立的选自二氧化硅、氟化镁、PMMA等；硅衬底相对于过渡层（n~1.4）具有较高的折射率（n~3.4），对应的工作波段为中红外波段。尤其介质光栅及过渡层选自二氧化硅时，在3~5um中红外范围TM波透过率高于70%，消光比约为40dB，在3~5um的中红外范围内TM波透过率和消光比都有明显的提升。

本发明中，所述基底为硅，是一种化学惰性材料，硬度高，不溶于水，并且其在1~7um波段具有很好的透光性能，透过率大于50%，可以保证材料在红外波段的透光性能以及物理、化学的稳定性；同时硅具有比较大的折射率，有利于提高整体结构的出光效率和性能。

优选的技术方案中，基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器，其特征在于：所述低折射率过渡层H3=200nm,；所述双层纳米光栅结构：介质光栅的周期为P=280nm，占空比DC=0.6，介质光栅厚度H2=100nm，金属铝层的厚度为H1=80nm。优选参数下，可以使结构达到波段最宽，TM波透过率和消光比达到最高，将复合双层纳米光栅结构以像素式多取向阵列的形式集成在硅基底上实现线偏振器件，因此本发明还公开了上述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器在偏振成像中的应用。

可以利用光刻显影技术制备介质光栅；利用电子束蒸发镀膜技术制备金属层。上述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，包括以下步骤：首先，基底清洗后制备过渡层；然后在过渡层表面利用光刻显影技术制备介质光栅；最后利用电子束蒸发镀膜技术制备金属层，得到所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器。

比如，对基片（双面抛光的氧化硅片）进行清洗去除基片表面的脏点和油污从而使基片表面具有较好的清洁度以及粘附力；接着利用旋涂法涂布上一层光刻胶（PMMA），利用电子束曝光光刻系统刻出像素式多趋向（0°、45°、135°、90°）纳米光栅光刻胶结构，再使用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀，刻蚀深度为90nm，接着去除残余光刻胶得到介质纳米光栅，最后利用电子束蒸发镀膜在介质光栅上面镀一层厚度为80nm的铝金属层就成功制备了基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器。

本发明将亚波长纳米金属光栅与像素式多取向微型偏振器阵列相结合，限定微纳结构，获得高的白光的透过率和偏振度，并证实了基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的可行性。在硅基底表面引入了一层二氧化硅低折射率过渡层，并在过渡层表面集成介质/金属复合纳米光栅结构，有效提高结构的透过率和偏振消光比。优选介质光栅周期280nm，搭建了偏振特性测量平台，对制成的样品进行光学性能的检测与分析，最终双层金属纳米光栅在3~5um波段内透过率高于75%，消光约为40dB，具有很好的偏振特性。

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．本发明首次公开了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器，具有较好的TM波透过率和消光比，其在3~5um中红外范围内的实际测试TM波透过率高于75%，消光约为40dB，并且该器件具有较好的稳定性，可以很容易的与相关的探测器相匹配用于实时偏振成像，取得了意想不到的技术效果。

2．本发明公开的基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器结构合理、易于制作，基于硅基底的双层纳米光栅尺寸参数可调，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偏振出光器件的缺陷。

3．本发明公开的基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器原料来源广、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为实施例一基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器及其超像素结构单元的结构示意图；

图2为实施例一的基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的双层纳米光栅结构示意图；

图3为实施例一的基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的主视结构示意图；

其中： 1、0°趋向的双层纳米光栅；2、90°趋向的双层纳米光栅；3、45°趋向的双层纳米光栅；4、135°趋向的双层纳米光栅；5、介质光栅； 6、金属层；7、基底；8、过渡层；

图4为实施例一中过渡层厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的TM波的透过率的影响图；

图5为实施例一中过渡层厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的消光比的影响图；

图6为实施例一中介质光栅厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的TM波的透过率的影响图；

图7为实施例一中介质光栅厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的消光比的影响图；

图8为实施例一中金属层厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的TM波的透过率的影响图；

图9为实施例一中金属层厚度对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的消光比的影响图；

图10为实施例一中占空比对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的TM波的透过率的影响图；

图11为实施例一中占空比对基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的消光比的影响图；

图12为实施例一中光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器TM波的透过率及偏振器消光比的曲线图；

图13为实施例一中光由基底入射通过双层纳米金属光栅后的基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器TM波的透过率及偏振器消光比与现有单层金属光栅的性能比较图；

图14为实施例一中的双层金属光栅的信号强度图；

图15为实施例一中的双层金属光栅的TM透过率与消光比ER的实验测量值图。

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:

实施例一

参见附图1所示，为基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器（左）以及超像素结构单元（右）的结构示意图；基底、过渡层以及像素层组成基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器，像素层由超像素结构单元阵列组成；超像素结构单元包括0°趋向的双层纳米光栅1、90°趋向的双层纳米光栅2、45°趋向的双层纳米光栅3以及135°趋向的双层纳米光栅4。

参见附图2，为双层纳米光栅结构示意图，由介质光栅5以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层6组成；为了表示更清楚，附图包括基底7以及过渡层8。本发明中，四种趋向结构的排列不做限制，趋向的角度是相对而定，如果以实际状态下的横向为0°，则其他角度以此为基准确定；不同趋向的双层纳米光栅材料组成以及结构参数一致。

参见附图3，为基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的主视结构示意图，以0°趋向的双层纳米光栅为例，其他结构与此一致；其中，基底7以及过渡层8，双层纳米光栅结构由介质光栅5以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层6组成；双层纳米光栅周期P=280nm；占空比DC= L1/P=0.6；金属铝厚度H1=80nm；介质光栅厚度H2=100nm；过渡层厚度H3=200nm；基底厚度0.8mm。

上述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制作方法，包括如下步骤：

（1）对双面抛光的氧化硅片进行清洗去除基片表面的脏点和油污从而使基片表面具有较好的清洁度以及粘附力；

（2）利用旋涂法涂布上一层电子束光刻胶PMMA；

（4）利用电子束曝光光刻技术刻出像素式多取向纳米光栅光刻胶结构；

（5）使用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到像素式多取向介质纳米光栅，刻蚀深度为100nm；

（6）最后电子束蒸发镀膜在像素式多取向介质光栅上面镀一层厚度为80nm的铝金属层，这样就制备得到了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器；

（7）实验制备的样品面积为2英寸，结构区域10mm×10mm，从结构区域裁剪一小块样品，用光学粘合剂（折射率1.7左右）将这一小块样品与CCD相机做贴合，这样集成后就可以实现同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片。

参见附图4至附图12，利用FDTD计算，选用2D模式搭建结构，在水平方向上设置周期性边界条件。在垂直方向由于多种介质存在，边界条件利用完美匹配层，模拟光源为平面波，波长范围是3-5um，由硅基底沿垂直方向入射。可以看出当H3=0nm时，该结构在整个波段的透过率和消光比都很低，当过渡层具有一定厚度时，光栅的透过率得到明显提高，同时可以看到消光比随过渡层厚度的变化并不明显，随着过渡层厚度的不断增大，透过率曲线的峰值向长波方向移动，在H₃为100nm~250nm之间时，在3~5μm波段内透过率都高于80%，消光比也大于55dB；介质光栅厚度对透过率和消光比的影响较小，在3~5μm波段内的趋势比较平滑，并且消光比随着厚度的增大逐渐降低；在短波范围（3~4μm）内，TM光的透过率随着金属光栅厚度的增加呈现先增加后急剧减少的趋势，而在4~5μm范围内TM光的透过率随金属光栅厚度的增加而增加，随着金属光栅厚度的增大，消光比也随之增大；随着光栅占空比的增大，TM透过率呈现先增大后减小的趋势，消光比呈现先减小后增大的趋势，随着光栅占空比的变化，光栅透过率变化范围比较大；本发明限定H₃为200nm，限定H₂的厚度为100nm，金属层厚度H₁为80nm，占空比DC为0.5-0.7 ，优选DC=0.6，此时TM透过率为91%~98%，消光比为58.5dB~59.5dB，具有非常理想的出光特性，并且此时工艺容忍度比较高，降低了制备工艺要求，符合对光栅性能的要求，取得了意想不到的技术效果。

参见附图13，将单层金属光栅的出光特性与本发明硅基双层纳米光栅的出光特性进行比较，其中单层金属光栅优化参数为P(Al₂O₃、CaF₂、Si)=280nm，H=200nm，DC=0.5；硅基双层金属光栅优化参数为 P(Si double)=280nm，H₁=80nm，H₂=100nm，H₃=200nm，DC=0.6。从图中可以看出，两种金属光栅在3~5μm波长范围内都能获得较高TM透过率和消光比的出光特性，并且双层纳米光栅的消光比与单层金属光栅相比较约有10dB的提高，且单层金属光栅要求较高的光栅厚度，制备难度比较高，双层纳米光栅中金属厚度只需80nm，制备难度大大降低，并且工艺容差大，介质光栅深度在90~110nm都可以，金属层厚度在70~90nm，金属层厚度要低于介质光栅高度20nm左右，是3~5μm波段比较理想的结构模型。

利用氮化硅红外光源作为激发光，光源发出的红外光经过斩波器和滤光片轮进行滤光后通过单色仪转变为单色光，由准直器进行准直然后通过偏振片作为起偏器形成偏振光，偏振光垂直入射至样品基底，利用红外探测器接收信号，经过前置放大器和锁相放大器后利用计算机分析数据。测试过程中单色仪由计算机控制并反馈。在测试过程中，首先在无样品时测量出射光的信号强度，然后将样品放入光路中，测试光垂直入射硅片，通过旋转样品，获得最大和最小信号强度角度位置，其中强度最大时为TM光透过样品所产生的信号强度，强度最小时为TE光经过样品所产生的信号强度，将所获得信号通过计算机软件进行分析。测量过程中，波长为3~5μm，设定波长变化间隔为50nm，每个扫描波长取样三次，共测量2次，取平均值作为本次测量结果，所获得的信号强度如附图14所示。 TM光透过样品时所获得的信号强度与无样品时所获得信号强度的比值即为TM光的透过率(TMT)，同理，TE光透过率(TET)为TE光透过样品时所获得的信号强度与无样品时所获得的信号强度的比值，利用公式ER=10*log(TMT/TET)计算获得样品的消光比，所获得的样品TM光透过率和消光比曲线如附图15所示：硅基双层金属光栅具有较好的TM波透过率和消光比，其在3~5um中红外范围内的TM波透过率高于75%，消光约为40dB。

实施例二

等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器中，双层纳米光栅包括1、金属层；2、介质光栅层；3、过渡层；4、硅基底；其中：介质光栅层周期P=280nm；占空比DC= L1/P=0.6；金属层高度H1=80nm；介质光栅（二氧化硅）高度H2=100nm；过渡层（氟化镁）厚度H3=200nm。基底厚度0.5mm其制作方法，包括如下步骤：

（1）对双面抛光的硅片进行清洗去除基片表面的脏点和油污从而使基片表面具有较好的清洁度以及粘附力；

（2）利用磁控溅射镀膜在硅基底上先镀200nm的氟化镁再镀100nm的二氧化硅，

（3）利用旋涂法涂布上一层电子束光刻胶PMMA；

（6）最后电子束蒸发镀膜在像素式多取向介质光栅上面镀一层厚度为80nm的铝金属层，这样就制备得到了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器。在3~5μm波段内透过率都高于65%，消光比约为32dB。

实施例三

等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器参数与实施例一一致，制作方法包括如下步骤：

（2）利用旋涂法涂布上一层电子束光刻胶PMMA；

（3）利用电子束曝光光刻技术刻出像素式多取向纳米光栅光刻胶结构；

（4）使用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到像素式多取向介质纳米光栅，刻蚀深度为100nm；

（5）最后电子束蒸发镀膜在像素式多取向

介质光栅上面镀一层厚度为80nm的金层，这样就制备得到了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器。在3~5μm波段内透过率都高于60%，消光比约为36dB。

实施例四

等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器中，双层纳米光栅包括1、金属层；2、介质光栅层；3、过渡层；4、硅基底；其中：介质光栅层周期P=285nm；占空比DC= L1/P=0.55；金属层高度H1=85nm；介质光栅（二氧化硅）高度H2=110nm；过渡层（二氧化硅）厚度H3=190nm。基底厚度1mm其制作方法，包括如下步骤：

（2）利用旋涂法涂布上一层电子束光刻胶PMMA；

（4）使用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到像素式多取向介质纳米光栅，刻蚀深度为110nm；

（5）最后电子束蒸发镀膜在像素式多取向介质光栅上面镀一层厚度为85nm的铝金属层，这样就制备得到了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器。在3~5μm波段内透过率都高于65%，消光比约为35dB。

实施例五

等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器中，双层纳米光栅包括1、金属层；2、介质光栅层；3、过渡层；4、硅基底；其中：介质光栅层周期P=275nm；占空比DC= L1/P=0.65；金属层高度H1=70nm；介质光栅（二氧化硅）高度H2=90nm；过渡层（二氧化硅）厚度H3=210nm。基底厚度0.8mm其制作方法，包括如下步骤：

（2）利用旋涂法涂布上一层电子束光刻胶PMMA；

（4）使用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到像素式多取向介质纳米光栅，刻蚀深度为90nm；

（5）最后电子束蒸发镀膜在像素式多取向介质光栅上面镀一层厚度为70nm的铝金属层，这样就制备得到了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器。在3~5μm波段内透过率都高于60%，消光比约为30dB。

Claims

1.一种基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，基底清洗后制备过渡层；然后在过渡层表面利用光刻显影技术制备介质光栅；最后利用电子束蒸发镀膜技术制备金属层，得到所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器；所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器包括基底、过渡层以及像素层；所述像素层由超像素结构单元阵列组成；所述超像素结构单元包括0°取向的双层纳米光栅、45°取向的双层纳米光栅、135°取向的双层纳米光栅以及90°取向的双层纳米光栅；所述双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；所述介质光栅的周期为260nm-300nm，占空比为0.5-0.7，厚度为90nm-110nm；所述金属层的厚度为70nm-90nm。

2.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述基底的厚度为0.5-1mm。

3.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述基体为半导体基底；所述过渡层为二氧化硅过渡层、氟化镁过渡层或者PMMA过渡层；所述过渡层光栅为二氧化硅介质光栅、氟化镁介质光栅或者PMMA介质光栅；所述金属为铝、银或者金。

4.根据权利要求3所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述基体为硅基底；所述过渡层为二氧化硅过渡层；所述过渡层光栅为二氧化硅介质光栅；所述金属为铝。

5.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述过渡层的厚度为200nm。

6.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述双层纳米光栅的周期为P=280nm，占空比为0.6，厚度为100nm；金属层的厚度为80nm。

7.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器对应的工作波段为中红外波段。