CN110275233B - 一种窄周期长波红外多层光栅结构 - Google Patents

一种窄周期长波红外多层光栅结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种窄周期长波红外多层光栅结构及其制备流程，解决了现有大周期光栅在组成光栅阵列时，无法满足光栅区域无限大前提条件的问题。本发明的一种窄周期长波红外多层光栅结构，自上而下依次包含光栅层、基底层和高反层；所述高反层包含三层，分别是高反层高折射率层以及设置在高反层高折射率层上下表面的高反层低折射率层；所述光栅层与基底层厚度相同，两个高反层低折射率层的厚度相同；所述光栅层包含在同一平面分布的高折射率材料和低折射率材料；高折射率材料为碲，低折射率材料为锗；所述基底层选用金属材料锗；所述高反层高折射率层的材料为锗，高反层低折射率层的材料为氯化钠。

Description

一种窄周期长波红外多层光栅结构
技术领域
本发明属于微纳器件设计技术领域，涉及一种光栅周期可在0.1μm-1μm自由调节的窄周期长波红外多层带通光栅结构。
背景技术
光栅是多光谱滤光片阵列的一种基本组成单元。由光栅组成的多光谱滤光片阵列结构紧凑、体积小、重量轻、不需要额外的驱动设备，是当前多光谱成像领域的重要研究方向。设计具有良好带通特性、低旁带效应的光栅结构是多光谱滤光片阵列设计的前提和基础。
导模共振亚波长滤光器件因其具有极窄的带宽、极高的衍射效率和低旁带效应等优点，近年来受到广泛的关注。亚波长波导光栅，光栅层可以近似的等效于折射率为光栅平均折射率的各向同性波导。此时，可以用等效波导理论进行分析。根据等效波导理论设计的传统的单层、双层长波红外光谱光栅均存在光栅周期大的问题，但在光栅理论设计过程中，均假定光栅区域是无限大的平面，大周期光栅在组成光栅阵列时，单个像元内只存在极少个光栅结构，这与光栅理论设计过程中光栅区域无限大的前提假定是相矛盾的。这类大周期光栅在应用于实际时，光谱响应往往与理论结果差距很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种窄周期长波红外多层光栅结构，解决了现有大周期光栅在组成光栅阵列时，无法满足光栅区域无限大前提条件的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种窄周期长波红外多层光栅结构，自上而下依次包含光栅层、高反层和基底层；所述高反层包含三层，分别是高反层高折射率层以及设置在高反层高折射率层上下表面的高反层低折射率层；
所述光栅层与基底层厚度相同，两个高反层低折射率层的厚度相同；
所述光栅层包含在同一平面分布的高折射率材料和低折射率材料；高折射率材料为碲，低折射率材料为锗；
所述基底层选用金属材料锗；
所述高反层高折射率层的材料为锗，高反层低折射率层的材料为氯化钠。
作为本发明的一种优选实施方式：所述长波红外为8μm-12μm波段；光栅周期为0.1μm-1μm。
作为本发明的一种优选实施方式：所述光栅层的占空比为0.5。
作为本发明的一种优选实施方式：所述光栅层厚度为0.3μm-0.9μm。
作为本发明的一种优选实施方式：所述高反层高折射率层厚度为0.95μm-1.72μm。
作为本发明的一种优选实施方式：光栅层和基底层厚度为0.605μm，光栅层的占空比0.5；高反层高折射率层厚度为1.33μm，高反层低折射率层厚度为1.37μm。
本发明还公开了任一上述的一种窄周期长波红外多层光栅结构的制备流程，其包含如下步骤：
(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，采用离子束溅射淀积技术运用一个功率较大的溅射离子源产生高密度的高能离子轰击靶材，在高真空条件下实施高速的溅射淀积；辅助离子源用来改善膜层的致密度和反应度，实现在低于100℃的低温下超低光学损耗和超多层膜的制备；
(2)光刻胶的涂覆：设置均匀的光刻胶涂层；涂有光刻胶的基片在洁净工作台中的高速离心机上进行匀胶；使光刻胶均匀的分布在光栅基底的表面上达到厚度均匀；
(3)前烘：去除光刻胶层内的溶剂，增大光引发剂在光刻胶中的比例和提高光刻胶与基底的粘附力及胶膜的抗机械摩擦能力；
(4)全息离子蚀刻光栅：利用激光干涉技术，使涂覆的光致抗蚀剂的基片曝光并利用显影液进行显影处理，从而在光栅基底上形成具有周期结构的刻槽，再利用离子束轰击刻槽将光刻胶图形转移到基片上以增强光栅的衍射效率。
本发明有益效果是：
通过长波红外常用的金属材料锗和介质材料碲、氯化钠的结合使用，采用全新的五层光栅结构，实现了光栅在长波红外波段具有良好的带通特性、低旁带效应。同时，光栅结构的周期最小可达到0.1μm，在单个像元的条件下，可以满足无限大光栅平面的前提假设。
附图说明
图1是本发明提出的窄周期长波红外多层带通光栅结构示意图。
图2是长波红外8μm-12μm波段内光栅周期从0.1μm-1μm变化时对中心波长及带宽的影响图。
图3是长波红外8μm-12μm波段内光栅占空比变化对中心波长及带宽的影响图。
图4是长波红外8μm-12μm波段内光栅层厚度变化变化对中心波长及带宽的影响图。
图5是长波红外8μm-12μm波段内高反层高折射率层厚度变化对中心波长及带宽的影响图。
图6是根据各参数对光谱响应影响优化得到的典型光栅结构参数的光谱响应。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
如图1～6所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，本发明公开了一种光栅周期可在0.1μm-1μm自由调节的窄周期长波红外多层带通光栅结构，解决了现有大周期光栅在组成光栅阵列时，无法满足光栅区域无限大前提条件的问题。
本发明采用以下技术方案，如图所示：一种由金属与介质材料组成的五层光栅结构。典型结构包括：光栅层、基底层和高反层(LHL三层)。
本发明的有益效果是通过长波红外常用的金属材料锗和介质材料碲、氯化钠的结合使用，采用全新的五层光栅结构，实现了光栅在长波红外波段具有良好的带通特性、低旁带效应。同时，光栅结构的周期最小可达到0.1μm，在单个像元的条件下，可以满足无限大光栅平面的前提假设。
本发明提供一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，主要通过金属材料和介质材料的结合使用，使用全新的五层光栅结构，实现了长波红外波段的带通滤光特性。
考虑到简单的单层、双层光栅结构在长波红外光栅周期大的问题，设计者采用了五层光栅结构。其中，光栅层与基底层厚度保持一致，高反层低折射率层的两层厚度保持一致。
本发明在选材方面方案如下：
光栅层高折射率材料为碲，低折射率材料为锗；基底层选用金属材料锗；高反层LHL材料为氯化钠|锗|氯化钠。这些材料在长波红外波段均具有良好的透射性能，并且通过现有的技术手段都可制备得到。
本发明的加工方法如下：
设计好结构后，结合全息工艺制备技术制备。
本发明的制备流程如下：
(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，离子束溅射淀积技术是一种制备优质光学薄膜的重要方法。运用一个功率较大的溅射离子源产生高密度的高能离子轰击靶材，在高真空条件下实施高速的溅射淀积。辅助离子源用来改善膜层的致密度和反应度，实现在低温下(低于100℃)超低光学损耗和超多层膜的制备。
(2)光刻胶的涂覆：均匀的光刻胶涂层是得到高质量亚波长光栅必不可少的条件之一。涂有光刻胶的基片在洁净工作台中的高速离心机上进行匀胶，目的是利用离心力的作用使光刻胶均匀的分布在光栅基底的表面上达到厚度均匀。
(3)前烘：前烘的主要目的是去除光刻胶层内的溶剂，增大光引发剂在光刻胶中的比例和提高光刻胶与基底的粘附力及胶膜的抗机械摩擦能力。
(4)全息离子蚀刻光栅：利用激光干涉技术，使涂覆的光致抗蚀剂的基片曝光并利用显影液进行显影处理，从而在光栅基底上形成具有周期结构的刻槽，再利用离子束轰击刻槽将光刻胶图形转移到基片上以增强光栅的衍射效率。
在以下讨论中，对以下名词进行定义：
占空比：低折射率材料锗的宽度与光栅周期的比值。
峰值半宽：光谱响应透射峰值效率一半时波形的宽度。
峰值透过率：光谱响应中心波长对应的光谱透过率。
旁带：若光谱响应为单峰，则取其峰值左右两侧三倍峰值半宽区域外的最大透射效率；若光谱响应为多峰，则取次峰透射效率。
图1是本发明提出的窄周期长波红外多层带通光栅结构示意图。采用合适的光栅结构参数，这种光栅结构可以实现极高的透射效率、极低的旁带效应，优良的带通特性。图1中的高反层L2和高反层L1均是指高反层低折射率层；图1中的高反层H是指高反层高折射率层。
图2是长波红外8μm-12μm波段内光栅周期从0.1μm-1μm变化时对中心波长及带宽的影响图。从图中可以看出，当光栅周期在0.1μm-1μm变化时，光谱响应的中心波长及带宽不会发生明显改变，均具有极高峰值透射率、极低的旁带效应，良好的带通特性。这保证了本发明所提出的五层结构光栅在长波红外波段具有极窄的光栅周期。
图3中，给出了当光栅层占空比变化时，光栅光谱响应的变化情况。从图中可以看出，当占空比变化时，光谱响应的中心波长、峰值半宽、旁带等主要评价参数均不会发生显著变化。实际加工制备过程中，过窄的槽系是难以得到的，故而本发明所提出的光栅结构采用了占空比0.5的设计，降低了制备难度。同时加工过程中出现的占空比误差不会对光栅性能产生明显的改变。
图4中，给出了光栅层厚度变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当光栅层厚度在0.3μm-0.9μm变化时，光栅在8μm-12μm具有良好的带通特性。随着厚度增加，峰值半宽先减小后增加，同时伴有红移现象。此现象可用于调节光栅中心波长。
图5中，给出了高反层高折射率层厚度变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当厚度在0.95μm-1.72μm变化时，光谱响应的中心波长与厚度基本呈线性特性。随着厚度增加，峰值半宽略微增加，伴有明显红移现象。这一特性可用于滤光片设计过程中中心波长的设计和定位。
图6给出了根据各参数对光谱响应影响优化得到的典型光栅结构参数的光谱响应。其中光栅层和基底层厚度为0.605μm，占空比0.5；高反层高折射率层厚度为1.33μm，低折射率层厚度为1.37μm。从图中看出光谱响应中心波长10μm，峰值透射率≥99％，旁带≤5％，峰值半宽0.29μm，具有优良的带通特性。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：自上而下依次包含光栅层、高反层和基底层；所述高反层包含三层，分别是高反层高折射率层以及设置在高反层高折射率层上下表面的高反层低折射率层；
所述光栅层与基底层厚度相同，两个高反层低折射率层的厚度相同；
所述光栅层包含在同一平面分布的高折射率材料和低折射率材料；高折射率材料为碲，低折射率材料为锗；
所述基底层选用金属材料锗；
所述高反层高折射率层的材料为锗，高反层低折射率层的材料为氯化钠。
2.如权利要求1所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：所述长波红外为8μm-12μm波段；光栅周期为0.1μm-1μm。
3.如权利要求1所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：所述光栅层的占空比为0.5。
4.如权利要求1所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：所述光栅层厚度为0.3μm-0.9μm。
5.如权利要求1所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：所述高反层高折射率层厚度为0.95μm-1.72μm。
6.如权利要求1所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构，其特征在于：光栅层和基底层厚度为0.605μm，光栅层的占空比0.5；高反层高折射率层厚度为1.33μm，高反层低折射率层厚度为1.37μm。
7.如权利要求1-6任一所述的一种窄周期长波红外多层带通光栅结构的制备流程，其包含如下步骤：
(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，采用离子束溅射淀积技术运用一个功率较大的溅射离子源产生高密度的高能离子轰击靶材，在高真空条件下实施高速的溅射淀积；辅助离子源用来改善膜层的致密度和反应度，实现在低于100℃的低温下超低光学损耗和超多层膜的制备；
(2)光刻胶的涂覆：设置均匀的光刻胶涂层；涂有光刻胶的基片在洁净工作台中的高速离心机上进行匀胶；使光刻胶均匀的分布在光栅基底的表面上达到厚度均匀；
(3)前烘：去除光刻胶层内的溶剂，增大光引发剂在光刻胶中的比例和提高光刻胶与基底的粘附力及胶膜的抗机械摩擦能力；
(4)全息离子蚀刻光栅：利用激光干涉技术，使涂覆的光致抗蚀剂的基片曝光并利用显影液进行显影处理，从而在光栅基底上形成具有周期结构的刻槽，再利用离子束轰击刻槽将光刻胶图形转移到基片上以增强光栅的衍射效率。
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