CN112881302A - 手性对称结构超表面圆偏振光检测元件及其制备方法 - Google Patents

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胡敬佩
张冲
曾爱军
黄惠杰
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Abstract

一种手性对称结构超表面圆偏振光检测元件，包括透光基底和位于透光基底上的旋转对称介质结构层，所述的介质结构层由两个半圆柱构成的旋转对称结构阵列构成。本发明可以通过电子束曝光和显影技术以及离子束刻蚀等工艺流程制得。该元件在1.54μm具有很强的圆偏振二色性，达到94.3％，消光比大于45:1，偏振透过率大于95％，同时其结构简单，性能优异，易于制作，在光学传感、光学成像等领域具有很大的应用价值。

Description

手性对称结构超表面圆偏振光检测元件及其制备方法
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
偏振成像技术是光学领域的一种新技术，光的偏振特性能够提供目标的光强图像无法显示的表面粗糙度、纹理走向、表面取向、表面电导率、材料理化特征、含水量等特征，对物体轮廓和表面去向识别具有明显的优越性，偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域具有广泛应用。例如：对隐藏或伪装目标探测；对不同物质检测；模糊轮廓(指纹、碑文等)识别；烟雾环境去雾成像；进行癌症、烧伤等医学诊断；用于星载或机载遥感等。
在偏振光成像中，圆偏振光在大颗粒散射介质中具有独特的优势，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。目前探测圆偏振光最常见的办法是在探测器前加线偏振片和四分之一波片，这种办法器件多、体积大并且稳定性差、灵敏度低，因此难以小型化和集成化。
随着含表面等离子波的亚波长结构器件与技术的发展，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。例如公开号为CN101852884B和CN101782666B专利文献通过在介质基地上放置周期性的双螺旋状和螺旋状金属线来实现对左旋和右旋圆偏振光的选择性透过。但是，这些圆偏振检测单元消光比小、透过率低难于加工。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术不足，提供一种手性结构超表面圆偏振光检测元件及其制备方法。该元件为结构简单的二维结构，不仅易于加工，而且由更高的透过率和消光比。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种手性对称结构超表面圆偏振光检测元件，其特点在于，包括透光基底和位于该透光基底上的介质结构层，所述介质结构层由刻蚀形成的旋转对称手性结构单元阵列组成，每个旋转对称手性结构单元包括两个刻蚀凹陷的半圆柱，且两个半圆柱沿着半圆柱面在直径方向错位构成旋转对称图形。
所述的旋转对称手性结构单元由两个等大的半圆柱构成，半圆柱的的周期P为0.91-0.92μm，刻蚀深度H的变化范围为0.21～0.22μm，圆柱的底面半径R的范围为0.23μm，两半圆柱圆心距L为0.33-0.36μm.
各个旋转对称手性介质结构单元之间等间隔排列。
所述的透光基底的材料为二氧化硅，所述的介质结构层的材料为硅、锗或砷化镓半导体材料。
所述的旋转对称手性介质结构单元的刻蚀深度和所述介质结构层的厚度一致。
本发明进一步公开了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)利用化学气相沉积法在透光基底上生长需要的介质结构层。
(2)在半导体材料介质层上旋涂一层光刻胶负胶；
(3)制作对应掩模版，利用电子束曝光显影技术对光刻胶进行曝光；
(4)利用反应离子束工艺刻蚀半导体材料介质层，得到目标结构，并清洗残余光刻胶后得到超表面圆偏振光检测元件。
相对于现有技术，本发明具有下列优点：
1.本发明原料为二氧化硅和硅，材料来源广泛、价格便宜。在加工方面，工艺成熟，精度高，误差小，制备简单，良品率高，可以进行大规模批量生产。
2.本发明透过率大于95％，消光比达到45：1，性能优良，具有很高的应用价值。
3.本发明结构为简单的二维结构，相对于其他发明，此发明加工过程大大缩短，并且结构稳定。
附图说明
图1为本发明超表面圆偏振光检测元件阵列示意图；其中：1、透明基底；2、旋转对称手性介质结构层；3、双半圆旋转对称手性结构单元。
图2为本发明的俯视图，图中包含双半圆旋转对称手性结构单元，其结构周期为P；半圆柱底面半径为R；圆心距为L；刻蚀深度为H。
图3为实施例一的超表面圆偏振光检测元件透过率曲线；
图4为实施例一的超表面圆偏振光检测元件消光比曲线；
图5为实施例一的超表面圆偏振光检测元件偏振二色性曲线；
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包括透光基底1与设置于透光基底上的介质结构层2，所述介质结构层2由刻蚀形成的旋转对称手性结构单元阵列组成，每个旋转对称手性结构单元3包括两个刻蚀凹陷的半圆柱，且两个半圆柱沿着半圆柱面在直径方向错位构成旋转对称图形。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3如图2所示，周期P为0.92μm；所述的旋转对称手性介质结构的深度H为0.215μm，圆心距L为0.36μm，半径R为0.23μm。
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在不同圆偏振光下参数随波长的变化。在波长1.54μm附近，此元件的对左旋圆偏振光的透过率达到95％。消光比达到45:1，偏振二色性达到94.3％。

Claims (6)

1.一种手性对称结构超表面圆偏振光检测元件，其特征在于，包括透光基底和位于该透光基底上的介质结构层，所述介质结构层由刻蚀形成的旋转对称手性结构单元阵列组成，每个旋转对称手性结构单元包括两个刻蚀凹陷的半圆柱，且两个半圆柱沿着半圆柱面在直径方向错位构成旋转对称图形。
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结构单元由两个等大的半圆柱构成，半圆柱的周期P为0.91-0.92μm，刻蚀深度H的变化范围为0.21～0.22μm，圆柱的底面半径R的范围为0.23μm，两半圆柱圆心距L为0.33-0.36μm。
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，各个旋转对称手性介质结构单元之间等间隔排列。
4.根据权利要求1-3任一所述的超表面圆偏振光检测元件，其特征在于，所述的透光基底的材料为二氧化硅，所述的介质结构层的材料为硅、锗或砷化镓半导体材料。
5.根据权利要求1-3任一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刻蚀深度和所述介质结构层的厚度一致。
6.一种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)利用化学气相沉积法在透光基底上生长需要的介质结构层；
(2)在所述的介质结构层上旋涂一层光刻胶负胶；
(3)制作对应掩模版，利用电子束曝光显影技术对光刻胶进行曝光；
(4)利用反应离子束工艺刻蚀介质结构层，得到旋转对称手性结构单元阵列，清洗残余光刻胶后得到超表面圆偏振光检测元件。
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