CN114252939A - 一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种工作于红外波段的、兼具截止和减反特性的金属结构超表面光学膜，包括均匀介质层以及在均匀介质层上方的周期排布的薄金属结构。该光学膜可实现在4‑7微米波段的截止、在8‑14微米波段的减反效果。其中均匀介质层采用传统的单层光学减反介质，金属超表面通过简单的光刻—剥离工艺实现。所述的结构在能够选择透过目标波段的基础上克服原有的多层膜工艺的缺陷并兼顾成本和加工难度，可应用于红外热成像仪等红外成像器件上。
Description
技术领域
本发明涉及红外波段的选择透过超表面光学膜，特别涉及在4-14微米波段具有选择透过性的金属超表面光学膜。
背景技术
任何非绝对零度的物体都在向外辐射能量，这些能量通常以红外线的形式存在。通过对目标物体向外辐射的红外波段的电磁波进行感知，能够实现测温，夜视等具有重要意义的功能。由此发展出的众多红外成像设备也带动了红外窗口的需求。而红外窗口往往需要在工作波段内保持一个较高的透射率，让尽可能多的能量进入光学系统；同时，也会出现需要将某些波段阻挡在光学系统之外的需求。这时就需要同时具备截止和增透功能的光学窗口。
对反射和透射的调控在光学系统的优化中起着重要的作用，传统的方法是通过在器件表面镀上多层膜来实现。然而多层膜方案在材料的折射率和各层膜厚度上有限制。并且随着需要的膜层增多，膜层表面的平整度也越加难以维持，从而影响器件性能。红外窗口的设计制造也面临着同样的难题，急需一种受材料特性限制少、设计自由度高、在制造流程中工艺控制更稳定的结构方案来加以改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中对反射和透射的调控时，多层膜的平整难度较大的缺陷，提供一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其制备方法为，在基底上镀上一层介质外加一层周期性排列的金属结构，即可实现在8-14微米的减反，并能够高效截止处于大气吸收窗口的4-7微米波段，从而提高红外测温准确性。
在介质表面周期性间隔设置一层金属层，金属结构形成的等效表面与基底-介质界面形成一个类似谐振腔的结构从而达到在中红外波段的选择性透过功能。
所述的基底为工作在传统红外光学基底上，如硅、锗和硫系玻璃等。
所述的介质层为红外减反材料如硫化锌、氟化镁等；所述的金属可采用金、银、铂、钛等。
进一步地，最上层的金属结构为金属层为正方形、圆形或其他易于加工的形状，金属的厚度范围是0.01-0.5微米，介质层的厚度范围是0.1-4微米，单元结构周期范围是2-3微米，金属的单元结构大小范围是0.5微米至1个周期的大小。
进一步地，该光学膜的工作波段为4微米-14微米。
进一步地，该光学膜在4-7微米主要起截止的作用，在8-14微米主要起减反的作用。
本发明的原理在于：周期排布的金属单元改变了材料表面的复折射、透射系数，从而使得整个器件由于金属结构对激励的谐振响应而拥有更强的色散性质，实现在宽波段内的相长或相消干涉。同时由于需要截止的波段和需要减反的波段很接近，仅仅使用干涉相消的方法并不能取得很好的效果。对此的优化方案是：采用合适的周期在截止波段内形成光栅，进一步地减少零级的能量。
所述的结构组合的变量包括均匀介质层的厚度，金属的厚度和单元结构的大小(正方形的边长或圆的半径)，周期的大小。为了得到最佳组合，可以采用各种优化算法进行搜索，其中单元结构的几何外形因为只存在两种情况，在算法搜索之前被先固定下来，然后再进行其他变量的搜索。另外，由于周期结构的大小还起着光栅的作用，所以可以根据光栅方程和需要截止的波段先大致确定周期的范围在2-3微米。其余的参数的优化范围是在由制造工艺大致确定的。
确定了大致的参数优化范围，就可以使用优化算法搜索出一个较优的参数组合。
利用光栅方程
nA sinθ＝mλ (1)以及截止波段的范围确定周期的大概变化范围：2-3微米。其中n是入射介质硫化锌的折射率，θ是入射角度，m是衍射级次，λ是波长。确定的原则是：周期大小在需要截止的波段会将入射光的能量分散到其他级次，而在需要减反的波段，周期的大小却只支持0级这一种模式，不会对透射率产生不利的影响。
在干涉相消方面，入射光首先经过周期性亚波长金属结构所形成的等效交界面，再经由介质层到达其与基底的交界面，考虑这两层交界面，又假设该结构对光的吸收忽略不记，那么该结构的总体透射系数则可以表达为：
其中
和
分别是从介质1到介质2的复透射、复反射系数，
和
分别是介质2到介质3的复透射、复反射系数。具体到文中的结构上，介质1、2、3分别指空气介质、均匀介质膜、基底。β是指在光波穿过中间介质层所产生的相位差。由公式(2)我们可以得知，在材料选择固定的情况下，改变金属结构的几何参数以及介质层的厚度能够调控公式中的所有变量，但是结构参数和公式(2)中的变量关系并不都清楚，比如金的几何参数对第一个等效交界面的复折射系数以及复透射系数会有怎样的影响是难以量化的。
在这里本发明采用了一种常用的优化算法：粒子群优化算法来对符合要求的结构组合进行搜索。在粒子群算法中凭借适应度函数用来评价当前样本的质量，该函数的选取会影响的优化搜索的方向。在实际的代码实现过程中，适应度函数的取法如公式(3)所示：
FOM＝3×∑|T′6-7-T6-7|+∑|T′-T| (3)
其中，T′和T分别是指全波段的、仿真计算得到的和全波段的、期望得到的器件透过率数据；T′6-7和T6-7是T′和T在6-7微米的部分。FOM代表优化过程中的评价指标，用来表征一个结果符合设计要求的程度，FOM的数值越小，则越符合设计要求。越是在截止波段中有更低的透过率，在增透波段有更高的透过率，则FOM的数值就会更低。
应当设置T在截止波段为0，在减反波段为1。∑是一个求和符号，代表将不同频率点上的透射率数值相加，可以理解为积分的离散化形式。这样的适应度函数得到的数值越小，说明当前样本与理想情况的差距越小。需要说明的是：经过多次仿真计算后，发现金属结构为方形或圆形虽然保证了结构的简单，但是几乎无法实现陡峭的截止效果。器件从截止波段到减反波段的透射率变化较为平缓，为了保证减反波段的效果，所以适应度函数的分布并不能仅仅是截止波段和减反波段的一个简单的覆盖。同时，不同波段的优化难度也并不一样，比如在实践中发现截止波段相对于减反波段更难优化，这时就应该适当增加截止波段的权重。综上，理想的透过率数据被拟合为一条在截止波段大致为0，在减反波段大致为1在多项式函数，其中，T6-7处于截止的区域。
本发明的有益效果在于：
在制造工艺上：本发明避免了多层镀膜的工艺路线，而是采用了可靠性更好的半导体制造工艺，更好地抑制了结构缺陷的产生以避免对器件性能的负面影响。而基底-介质-金属超表面的结构组合虽然需要真空镀膜(仅镀一层减反介质)和半导体的制造工艺来完成，但具体到半导体的生产流程中，并不需要使用成本高昂的步进式光刻机和刻蚀机，而采用一般的接触式或位移式泰伯式光刻加金属剥离工艺就能完成生产，能够很好地控制设备成本。
在器件功能上：由于4-7微米波段的红外热辐射绝大部分处于大气的吸收窗口当中，测量器件接受到的辐射能量会随着与目标物体距离的改变而改变，所以需要对此波段的辐射能量进行截止以提高结果的准确性。而在8-14微米这个波段中，所设计的器件通过减少反射实现了较高的透射率，这对于热成像或是测温都具有正面意义。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的具有选择透过性的超表面单元结构示意图；
图2为根据大气的透过率数据制定的优化目标；
图3为经过优化得到的红外窗口在目标波段的各项性能参数，金属单元结构为正方形的金；
图4为单元结构换为正方形的银，再经过优化得到的0级透过率；
图5为单元结构换为正方形的铂，再经过优化得到的0级透过率；
图6为单元结构换为圆形的铂，再经过优化得到的0级透过率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其制备方法为，在基底上镀上一层介质外加一层周期性排列的金属结构，具有选择透过性的超表面单元结构示意图，如图1所示，其中，1为金属，2为均匀介质，3为基底。图中所示为结构的宏观示意图和周期结构的微观示意图。
图2为根据大气的透过率数据制定的优化目标。波长在约4-7.5微米的范围内的光大部分会被大气吸收，所设计的红外窗口也需要对这个范围内的光进行截止，以提升测温或成像的准确性，而在8-14微米的范围内实现的功能为减少反射、增加透过率。
采用硅作为基底材料，硫化锌作为介质层，并利用金构成周期性亚波长金属结构。最后得到如图3所示的结果：结构的周期为2.55微米，金的结构为正方形，边长为1.43微米，金的厚度为0.07微米，硫化锌的厚度为0.8微米。表征该结构性能最主要的数据是0级的透射率。而由图3可知，截止的效果主要是通过该结构在截止波段的反射和光栅的分光来实现的。减反的波段和截止的波段基本符合设计要求。其中由虚线和空心圆点可以看出：截止的效果主要由强反射和光栅的分光效应两者共同实现。所得到的结构在整个工作波段里吸收率都较低。
图4和图5分别是将材料换为银和铂之后进行优化得到的结果，图6中材料选取的是铂，单元结构的形状是圆形。以上设计实施例均符合设计要求。
以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，其制备方法为，在基底上镀上一层介质，在介质表面周期性排布一层金属单元结构，金属结构形成的等效表面与基底-介质界面形成一个类似谐振腔的结构；所述的基底为红外光学基底，所述的介质为红外减反材料。
2.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，所述的基底为硅、锗或硫系玻璃中的任意一种。
3.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，所述的介质层为硫化锌或氟化镁。
4.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，所述的金属为金、银、铂或钛中的任意一种。
5.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，金属层为正方形、圆形或十字形，金属的厚度范围是0.01-0.5微米，介质层的厚度范围是0.1-4微米，单元结构周期范围是2-3微米，金属的单元结构大小范围是0.5微米至1个周期的大小。
6.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，该光学膜的工作波段为4微米-14微米，在4-7微米主要起截止的作用，在8-14微米主要起减反的作用。
7.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，在设计优化时的评价指标由以下公式决定：
FOM＝3×∑|T′6-7-T6-7|+∑|T′-T|
其中，T′和T分别是指全波段的、仿真计算得到的和全波段的、期望得到的器件透过率数据；T′6-7和T6-7是T′和T在6-7微米的部分，设置T在截止波段为0，在减反波段为1，∑是一个求和符号，代表将不同频率点上的透射率数值相加，可以理解为积分的离散化形式。
8.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，其制备方法为，在基底硅上镀上一层厚度为0.8微米的硫化锌，在硫化锌表面周期性间隔2.55微米设置一层边长为1.43微米的金层，金层的厚度为0.07微米。
9.如权利要求1所述的兼具截止和减反特性的金属结构超表面红外光学膜，其特征在于，其制备方法为，在基底硅上镀上一层厚度为0.84微米的硫化锌，在硫化锌表面周期性间隔2.6微米设置一层半径为1.50微米的铂层，铂层的厚度为0.33微米。
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- 2021-12-24 CN CN202111609319.0A patent/CN114252939B/zh active Active
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