CN114185125B - 超表面偏振调控的消色差方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面偏振调控的消色差方法，在单一的衬底上制备超表面结构，通过金属纳米结构的电磁波吸收效应实现长波红外谱段的四个线偏振本征模透过率的有效调控。与现有基于偏振态相位调控的超表面相比，其可以对整个长波红外波段的每个波长的偏振态进行透过率调控，克服了相位调控存在色差的缺点；与现有基于偏振态透过率调控的超表面相比，其可对全部四个线偏振本征模进行调控；其线宽较大，可采用低成本的工艺设备进行制作。此外，连接衬底的双层结构单元可以进一步提高透过率。
Description
技术领域
本发明属于偏振测量技术领域，具体涉及超表面偏振调控的消色差方法。
背景技术
超表面偏振调控是一种基于亚波长周期性结构电磁波局域共振机制的偏振态透过率或相位调控技术，即在单一衬底上改变结构单元的尺寸和周期从而调整其偏振属性，进而实现对入射光偏振态的准确选择。偏振调控作为偏振探测的理论基础，在物质表面形貌探测、航天遥感、生物医成像学等研究领域具有广泛应用。
传统的超表面偏振调控有两种工作模式，一种是对偏振态的相位进行调控，另一种是对偏振态透过率进行调控。偏振态相位调控可以通过改变结构单元的形状对偏振态的本征模施加相位从而将不同的偏振态汇聚至探测器的不同区域，每个结构单元可以等效成截断的法布里珀罗谐振器，受限于共振机制，其仅能对单波长的电磁波进行有效调控，即存在色差；偏振态透过率调控虽具有宽谱段工作的优点，但只能在工作波段内个别波长处具有高透过率，此外现有超表面的结构单元尺寸主要在300nm甚至更小，需要采用价格昂贵的电子束曝光法进行制备，且其仅能对某个确定的偏振本征模进行调控，在偏振探测应用中需要对其进行旋转，不适用于对快速变化的目标进行探测。
发明内容
本发明的目的是提供超表面偏振调控的消色差方法，尤其是在中长波红外谱段采用金属/硅双层结构单元的周期性排布，利用金属纳米结构的电磁波吸收效应实现宽谱段的偏振态滤波。
本发明所采用的技术方案是，超表面偏振调控的消色差方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在单晶硅片上表面沉积金属膜，获得超表面结构的衬底，以超表面结构的衬底中心为坐标原点，划分为四个象限；
步骤2、对每个象限的金属膜表面采用光刻工艺按照偏振吸收角度制备印刻单元；
步骤3、采用刻蚀工艺在印刻单元内刻蚀金属纳米线和硅纳米线；
步骤4、将入射电磁波从单晶硅片底部入射，在单晶硅片和金属膜内传播时通过金属纳米线和硅纳米线对电磁波的偏振态影响，最终再金属膜表面的四个象限获得消色差的电磁波。
本发明的特点还在于：
金属膜为铝膜，厚度为0.6μm。
步骤2具体过程为：
对每个象限的金属膜表面偏振吸收角进行设定：第一象限为与X轴平行，第二象限为与X轴垂直，第三象限为与X轴正方向呈45°夹角，第四象限为与X轴正方向呈-45°夹角，采用光刻工艺按照每个象限的偏振吸收角刻蚀多个印刻单元。
步骤3中具体过程为：采用刻蚀工艺结合印刻单元在金属膜、单晶硅片表面刻蚀金属纳米线和硅纳米线的双层结构单元。
每个象限内的双层结构单元周期为2μm。
双层结构单元的总高度为0.8μm，宽度为0.8μm。
本发明的有益效果是：
与现有基于偏振态相位调控的超表面相比，能够对整个长波红外波段的每个波长的偏振态进行透过率调控，克服了相位调控存在色差的缺点；
通过对全部四个线偏振本征模进行调控且其线宽较大，能够采用低成本的工艺设备进行制作；
连接衬底的双层结构单元能够进一步提高透过率。
附图说明
图1为本发明超表面结构的衬底的俯视图；
图2为本发明超表面结构的衬底的侧视图；
图3为本发明刻蚀双层结构单元的衬底的俯视图；
图4为采用中长波红外分光光度计测量单层铝线栅结构对沿着其长边与短边的线偏振态的透过率随波长变化曲线图；
图5为采用中长波红外分光光度计测量本发明制备的铝/硅双层结构对沿着其短边的线偏振态的透过率随波长变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明超表面偏振调控的消色差方法，采用金属/硅双层结构单元的周期性排布，利用金属纳米结构的电磁波吸收效应实现宽谱段的偏振态滤波，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在单晶硅片上表面沉积金属膜，金属膜为在可见近红外到中长波红外谱段具有良好吸收的铝膜，厚度为0.6μm，能够与入射光产生等离子体表面共振吸收，如图1所示，以超表面结构的衬底中心为坐标原点，划分为四个象限；
步骤2、用于透过四个用于描述全部线偏振态的四个本征模为0°、90°、45°、-45°，基于此，对每个象限的金属膜表面偏振吸收角进行设定：第一象限为与X轴平行，第二象限为与X轴垂直；第三象限为与X轴正方向呈45°夹角，第四象限为与X轴正方向呈-45°夹角，采用光刻工艺按照每个象限的偏振吸收角刻蚀多个印刻单元。
步骤3、采用刻蚀工艺结合印刻单元在金属膜、单晶硅片表面刻蚀金属纳米线和硅纳米线的双层结构单元；每个象限内的双层结构单元周期为2μm，双层结构单元的高度和宽度均为0.8μm，宽度和高度均为0.8μm的原因是透过率高。入射电磁波沿着金属纳米线方向的偏振态被吸收，垂直金属纳米线方向的偏振态会透射，金属纳米线在长波红外宽波段具有良好的吸收性能；
步骤4、上述结构单元按衬底上直角坐标系的不同象限对结构单元进行不同方位的排布，每个区域对应的单个线偏振本证模具有最高的透过率。将入射电磁波从单晶硅片底部入射，在单晶硅片和金属膜内传播时通过金属纳米线和硅纳米线对电磁波的偏振态影响，最终再金属膜表面的四个象限获得消色差的电磁波；第一象限用于透过入射电磁波线偏振本征模的沿着y轴方向的偏振分量；第二象限用于透过入射电磁波线偏振本征模的沿着x轴方向的偏振分量；第三象限用于透过入射电磁波线偏振本征模的沿着与x轴夹角为-45°的偏振分量；第四象限用于透过入射电磁波线偏振本征模的沿着与x轴夹角为45°的偏振分量。
本发明一种超表面偏振调控的消色差方法原理为：
选用在长波红外谱段本征吸收与热损耗低的高阻硅片作为衬底并在其表面制备铝/硅双层纳米线栅结构；由于线栅结构的长边远大于短边因此当入射电磁波的线偏振态方向沿线栅长边时会产生共振吸收，而沿着线栅短边的线偏振态则会透过。表层铝线栅用于产生共振吸收，底层硅线栅用于调控等效折射率，从而保证在宽波段内均具有高的透过率，即实现消色差的功能。
图4为采用中长波红外分光光度计测量得到的单层铝线栅结构对沿着其长边与短边的线偏振态的透过率，图5为采用中长波红外分光光度计测量得到的本发明铝/硅双层结构对沿着其短边的线偏振态的透过率；其中单层铝线栅结构与本发明铝/硅双层结构尺寸与厚度保持一致。经过图4与图5对比可知，单层铝纳米线栅透过率存在着明显的特征峰，且在偏离特征峰的位置透过率有明显的下降，即存在透过率的色差；本发明涉及的铝/硅双层纳米线栅的透过率在整个中长波红外谱段的透过率比较平坦且具有更高的值，即消除了透过率的色差。
通过上述方式，本发明一种超表面偏振调控的消色差方法，与现有基于偏振态相位调控与单层金属纳米线栅的超表面相比，能够对整个长波红外波段的每个波长的偏振态进行透过率调控，克服了相位调控存在色差的缺点；通过对全部四个线偏振本征模进行调控且其线宽较大，能够采用低成本的工艺设备进行制作；连接衬底的双层结构单元能够进一步提高透过率。
Claims (1)
1.超表面偏振调控的消色差方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在单晶硅片上表面沉积金属膜，获得超表面结构的衬底，以超表面结构的衬底中心为坐标原点，划分为四个象限；
所述金属膜为铝膜，厚度为0.6μm；
步骤2、对每个象限的金属膜表面采用光刻工艺按照偏振吸收角度制备印刻单元；具体过程为：
对每个象限的金属膜表面偏振吸收角进行设定：第一象限为与X轴平行，第二象限为与X轴垂直，第三象限为与X轴正方向呈45°夹角，第四象限为与X轴正方向呈－45°夹角，采用光刻工艺按照每个象限的偏振吸收角刻蚀多个印刻单元；
步骤3、采用刻蚀工艺在印刻单元内刻蚀金属纳米线和硅纳米线；具体过程为：采用刻蚀工艺结合印刻单元在金属膜、单晶硅片表面刻蚀金属纳米线和硅纳米线的双层结构单元；
每个所述象限内的双层结构单元周期为2μm；
所述双层结构单元的高度为0.8μm，宽度为0.8μm；
步骤4、将入射电磁波从单晶硅片底部入射，在单晶硅片和金属膜内传播时通过金属纳米线和硅纳米线对电磁波的偏振态影响，再金属膜表面的四个象限获得消色差的电磁波。
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