CN113589418B - 基于仿生学的圆偏振检测集成器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件及其制作方法，其中器件包括自下而上依次层叠的一透光基底、一金属光栅、一透光介质层和一超表面阵列；所述超表面阵列包括阵列排布的多个单元晶胞，每一所述单元晶胞包括一第一菱形结构、一第二菱形结构和一第三菱形结构；所述第一菱形结构、所述第二菱形结构和所述第三菱形结构的一对角线在同一直线上，且所述第一菱形结构和所述第三菱形结构部分堆叠重合在所述第二菱形结构内。本发明的一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件及其制作方法，使器件在近红外波段较宽范围内都具有较高的透射率和高的消光比。
Description
技术领域
本发明涉及偏振检测技术领域，尤其涉及一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件及其制作方法。
背景技术
偏振检测技术是一种获取目标信息，进行目标识别的新型检测技术。当光波从介质表面透射时，其偏振态可能发生变化。不同的物体或者同种物体的不同状态都可能产生不同的偏振状态，利用偏振信息，可以有效提高识别和检测的准确度。因此，被广泛的应用到各个领域。例如：在生物医学方面，分析光波的偏振特性可以帮助获得生物组织的一些信息，用于病理诊断；在水下探测方面，将散射光的偏振特性与成像结合，可以实现水下场景的清晰复原；在遥感探测方面，以目标辐射能量的偏振特征作为探测信息，提取目标的信息，能够更好地识别目标物体。由此可见，偏振检测技术具有重要的研究意义。
尤其是圆偏振光，其光矢量的大小不变，而振动方向随相位改变；携带着大量的矢量信息，对偏振检测具有重要辅助作用。近年来，圆偏振光因在有机发光二极管、3D显示、信息存储与处理、自旋信息通信、生物检测及探针等领域具有巨大应用前景而得到广泛关注。目前，国内外已有众多研究者基于圆偏振光的特殊优势，开展相关研究。现有对于圆偏振光的检测，主要通过人工三维结构、二维材料以及单层超表面结构来实现，在材料选择上多使用金属，会导致严重的欧姆损耗，而且手性较弱，对于圆偏振的检测效率不佳。其中，透射率和消光比是衡量圆偏振检测器件检测能力的关键性因素。因此，设计具有高效率的圆偏振检测器件结构具有重要的意义和使用价值。
在自然界中，脚足动物具有卓越的视觉系统，能够直接识别光波的偏振状态。受其独特视觉的启发，将其识别圆偏振光的基础原理与单层超表面阵列相结合。在此方案中，找到了提高透射率和消光比的新思路，有效解决了现有圆偏振光检测效率不高的问题，为圆偏振光的检测与识别提供了新的方法。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件及其制作方法，使器件在近红外波段较宽范围内都具有较高的透射率和高的消光比。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件，包括自下而上依次层叠的一透光基底、一金属光栅、一透光介质层和一超表面阵列；所述超表面阵列包括阵列排布的多个单元晶胞，每一所述单元晶胞包括一第一菱形结构、一第二菱形结构和一第三菱形结构；所述第一菱形结构、所述第二菱形结构和所述第三菱形结构的一对角线在同一直线上，且所述第一菱形结构和所述第三菱形结构部分堆叠重合在所述第二菱形结构内。
优选地，所述透光基底的材质为熔融石英。
优选地，所述金属光栅的材质为铝。
优选地，所述超表面阵列的材质为硅。
优选地，所述金属光栅的周期为300nm，占空比为0.6，高度为200nm。
优选地，所述透光介质层的厚度为200nm，材质为二氧化硅。
优选地，所述超表面阵列的周期为300nm，高度为430nm。
优选地，所述单元晶胞的所述第一菱形结构和所述第三菱形结构的对角线长度为80nm；所述第二菱形结构的对角线长度为160nm；所述第一菱形结构、所述第二菱形结构和所述第三菱形结构在同一直线上的一所述对角线与所述透光基底上表面的边呈45度夹角。
本发明的一种基于本发明所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件的制作方法，包括步骤：
S1：将第一光刻胶滴在一熔融石英基片中心处，利用旋涂法使所述熔融石英基片高速旋转，所述第一光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个所述熔融石英基片；
S2：对所述第一光刻胶进行烘烤，使所述第一光刻胶中的溶剂挥发，增强与所述熔融石英基片之间的结合力；
S3：根据需要对所述第一光刻胶进行曝光、显影和坚膜，刻画出所需尺寸的所述金属光栅的第一光刻胶图案；
S4：利用磁控溅射的方法，在所述第一光刻胶图案上沉积铝，形成所述金属光栅；
S5：用丙酮作为去胶剂溶解所述第一光刻胶图案外的所述第一光刻胶，并使用超声波清洗机将所述第一光刻胶图案外悬空的铝薄膜去除；
S6：利用化学气相沉积的方法，在所述金属光栅上方沉积200nm厚的二氧化硅，形成所述透光介质层；
S7：利用旋涂法，将第二光刻胶均匀铺满所述透光介质层的上表面；
S8：对所述第二光刻胶进行烘烤，根据需要的所述超表面阵列的图形尺寸进行曝光、显影和坚膜，获得第二光刻胶图案；
S9：利用磁控溅射的方法，在所述第二光刻胶图案上沉积硅，形成硅层；
S10：刻蚀掉所述第二光刻胶图案外多余的所述第二光刻胶和所述硅层，形成所述超表面阵列。
优选地，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶采用PMMA光刻胶。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
1、通过透光基底、金属光栅、透光介质层和超表面阵列的配合，本发明具有实现分辨圆偏振光旋向的功能，且较现有的圆偏振检测器件有更高的消光比，而且透射率也比较高，分辨效果更好。在波长，700-1000nm范围，右旋圆偏振透射率最大值可达65％，左旋圆偏振透射率最小值接近于0.03％，消光比最高可达1600。
2、本发明采用第一菱形结构和第三菱形结构部分堆叠重合在第二菱形结构内形成单元晶胞，与水平方向成45°，以300nm为周期有序排列，有利于实现将左旋圆偏振光转化为x方向线偏振光，右旋圆偏振光转化为y方向线偏光。
3、本发明通过添加二氧化硅的透光介质层，连接超表面阵列和金属光栅。透光介质层材料折射率低于超表面阵列的材料硅和金属光栅的材料铝，有利于光波的透过，提高透射率。
4、本发明中的金属光栅的材料采用金属铝，金属铝本身属于双折射材料，对正交方向的线偏振光具有不同的吸收现象，利用线栅尺寸优化，线栅方向设置为水平方向，最大程度上实现正交方向的线偏振光的差分吸收。
附图说明
图1为本发明实施例的基于仿生学的圆偏振检测集成器件的立体图；
图2为本发明实施例的基于仿生学的圆偏振检测集成器件的结构示意图；
图3为本发明实施例的单元晶胞的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图图1～图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1～图3，本发明实施例的目的在于针对现有圆偏振检测器件存在的上述不足，提出一种基于仿生学的圆偏振集成检测器件及其制作方法，使器件在近红外波段较宽范围内都具有较高的透射率和高的消光比。本发明采用超表面阵列4和金属光栅2上下集成的结构。通过沿水平方向旋转45°的部分堆叠的菱形结构作为基础单元，形成超表面阵列4，该超表面阵列4可以将不同旋向的圆偏振光转化为相互正交的线偏振光。通过水平方向的线栅结构，使得x方向偏振光被金属光栅2吸收，无法透过，而y方向的线偏振光能够透过金属光栅2，造成对正交的线偏振光的差分透过，从而实现不同旋向圆偏振光的识别。另一方面，超表面阵列4和金属光栅2之间通过低折射率透光介质层3作为集成的桥梁。
本发明实施例的一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件，包括自下而上依次层叠的一透光基底1、一金属光栅2、一透光介质层3和一超表面阵列4；超表面阵列4包括阵列排布的多个单元晶胞41，每一单元晶胞41包括一第一菱形结构411、一第二菱形结构412和一第三菱形结构413；第一菱形结构411、第二菱形结构412和第三菱形结构413的一对角线在同一直线上，且第一菱形结构411和第三菱形结构413部分堆叠重合在第二菱形结构412内。
本实施例中，透光基底1的材质为熔融石英；该材料折射率低，具有高透射率。
金属光栅2的材质为铝，金属铝属于双折射材料，在700～1000nm波段，对正交线偏振具有良好的差分识别效果。
超表面阵列4的材质为硅。
金属光栅2的周期为300nm，占空比为0.6，高度为200nm。
透光介质层3的厚度为200nm，材质为二氧化硅，材料折射率低，与硅材料结合，能够有效降低材料对光的吸收，增加透射率。
超表面阵列4的周期为300nm，高度为430nm。
单元晶胞41的第一菱形结构411和第三菱形结构413的对角线长度为80nm；第二菱形结构412的对角线长度为160nm；第一菱形结构411、第二菱形结构412和第三菱形结构413在同一直线上的一对角线与透光基底1上表面的边呈45度夹角a。相邻单元晶胞41互不干扰。
本发明实施例的一种基于本实施例的基于仿生学的圆偏振检测集成器件的制作方法，包括步骤：
S1：将第一光刻胶滴在一熔融石英基片中心处，利用旋涂法使熔融石英基片高速旋转，第一光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个熔融石英基片；
S2：对第一光刻胶进行烘烤，使第一光刻胶中的溶剂挥发，增强与熔融石英基片之间的结合力；
S3：根据需要对第一光刻胶进行曝光、显影和坚膜，刻画出所需尺寸的金属光栅2的第一光刻胶图案；
S4：利用磁控溅射的方法，在第一光刻胶图案上沉积铝，形成金属光栅2；
S5：用丙酮作为去胶剂溶解第一光刻胶图案外的第一光刻胶，并使用超声波清洗机将第一光刻胶图案外悬空的铝薄膜去除；
S6：利用化学气相沉积的方法，在金属光栅2上方沉积200nm厚的二氧化硅，形成透光介质层3；
S7：利用旋涂法，将第二光刻胶均匀铺满透光介质层3的上表面；
S8：对第二光刻胶进行烘烤，根据需要的超表面阵列4的图形尺寸进行曝光、显影和坚膜，获得第二光刻胶图案；
S9：利用磁控溅射的方法，在第二光刻胶图案上沉积硅，形成硅层；
S10：刻蚀掉第二光刻胶图案外多余的第二光刻胶和硅层，形成超表面阵列4。
本实施例中，第一光刻胶和第二光刻胶采用PMMA光刻胶。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，包括自下而上依次层叠的一透光基底、一金属光栅、一透光介质层和一超表面阵列；所述超表面阵列包括阵列排布的多个单元晶胞，每一所述单元晶胞包括一第一菱形结构、一第二菱形结构和一第三菱形结构；所述第一菱形结构、所述第二菱形结构和所述第三菱形结构的一对角线在同一直线上，且所述第一菱形结构和所述第三菱形结构部分堆叠重合在所述第二菱形结构内；所述单元晶胞直接设置于所述透光介质层的表面上；所述第一菱形结构、所述第二菱形结构和所述第三菱形结构高度相同且均直接设置于所述透光介质层的表面上。
2.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述透光基底的材质为熔融石英。
3.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述金属光栅的材质为铝。
4.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述超表面阵列的材质为硅。
5.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述金属光栅的周期为300nm，占空比为0.6，高度为200nm。
6.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述透光介质层的厚度为200nm，材质为二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件，其特征在于，所述超表面阵列的周期为300nm，高度为430nm。
8.一种基于权利要求1～7任一项所述的基于仿生学的圆偏振检测集成器件的制作方法，包括步骤：
S1：将第一光刻胶滴在一熔融石英基片中心处，利用旋涂法使所述熔融石英基片高速旋转，所述第一光刻胶在离心力的作用下均匀铺满整个所述熔融石英基片；
S2：对所述第一光刻胶进行烘烤，使所述第一光刻胶中的溶剂挥发，增强与所述熔融石英基片之间的结合力；
S3：根据需要对所述第一光刻胶进行曝光、显影和坚膜，刻画出所需尺寸的所述金属光栅的第一光刻胶图案；
S4：利用磁控溅射的方法，在所述第一光刻胶图案上沉积铝，形成所述金属光栅；
S5：用丙酮作为去胶剂溶解所述第一光刻胶图案外的所述第一光刻胶，并使用超声波清洗机将所述第一光刻胶图案外悬空的铝薄膜去除；
S6：利用化学气相沉积的方法，在所述金属光栅上方沉积200nm厚的二氧化硅，形成所述透光介质层；
S7：利用旋涂法，将第二光刻胶均匀铺满所述透光介质层的上表面；
S8：对所述第二光刻胶进行烘烤，根据需要的所述超表面阵列的图形尺寸进行曝光、显影和坚膜，获得第二光刻胶图案；
S9：利用磁控溅射的方法，在所述第二光刻胶图案上沉积硅，形成硅层；
S10：刻蚀掉所述第二光刻胶图案外多余的所述第二光刻胶和所述硅层，形成所述超表面阵列。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶采用PMMA光刻胶。
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