CN115291313A - 一种封装式亚波长光栅偏振滤波片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种封装式亚波长光栅偏振滤波片及其制造方法，所述偏振片包括双层增透膜、红外材料基底、介质光栅、双层金属膜，双层金属膜分别覆盖于介质光栅槽底和光栅线顶部，光栅周期远小于入射光波长，直接在基底上制造光栅矩形槽然后在光栅表面镀金属膜，采用和基底材料相同的材料封装光栅槽，因为具有相同折射率，该封装层可以减小光栅侧壁界面的光反射损失，从而提高TM偏振光透过率，同时还可以极大保护金属膜，在封装好的光栅两侧镀上双层膜增透，可以解决长波红外材料的透过率低的问题，在长波红外波段，该偏振滤波片具有宽波段、高透过率、高消光比等特点。
Description
技术领域
本发明属于亚波长光栅的微纳加工技术领域，具体涉及一种封装式亚波长光栅偏振滤波片及其制造方法。
背景技术
传统的红外亚波长光栅偏振器存在着TM偏振光透射率低、消光比不高、透过率和消光比无法同时提高等问题。目前红外偏振滤波器工作在3-5um波段较多，但对于长波红外波段进行设计研究鲜有报道，7-14um作为三个重要的大气窗口之一，针对该波段设计偏振滤波器，在目标识别、军事等领域具有较大的应用价值。根据应用需要，迫切需要设计具有高透射和高消光比的偏振滤波器。
亚波长金属偏振光栅发展必须要解决的关键问题之一：如何兼顾消光比和TM透过率。要获得高消光比和低插入损耗，要求每个金属栅线具有高的高宽比和光滑侧壁。当前偏振器主要是在红外透射材料表面制作金属纳米线结构，比如KRS-5、GaF2、BaF2、Si等；KRS-5、GaF2、BaF2易碎、吸湿易受潮，这些卤化物材料在化学耐久性、机械强度、可加工性和对金属的粘附性方面是不够的。Si折射率高需要涂减反层。提高偏振片性能的方式之一是在光栅结构与衬底之间增加一层减反涂层，可选用材料主要有：SiO、ZnS、聚合物薄膜等，也可以通过在衬底两侧制作表面减反结构来提高偏振透过率。对于长波红外，可选择的基底材料主要有ZnSe、ZnS、Ge、Si。ZnSe透过率高，毒性较大且质软，需要镀硬质膜。红外偏振滤波片制作工艺主要包括：全息曝光、电子束光刻、纳米压印光刻等。
为了提高透射率，通常采用办法有：增设增透层利用类F-P腔共振增透、选取透射率高的基底材料、镀多层增透膜等。
为了提高消光比，通常采用的办法有：选取长波红外吸收和反射更大的铝膜进行镀制、减小光栅周期、改善矩形侧壁陡直度、提高光栅槽型的高宽比等。
当前的红外偏振滤波器性能制约因素有：光栅槽型的变形、侧壁残留铝膜、基底材料高的反射、测试系统噪声的影响、铝膜容易氧化。
但对于红外波段使用封装光栅实现偏振滤波的研究鲜有报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种封装式亚波长光栅偏振滤波片及其制造方法，其工作于长波红外波段，克服现有的红外偏振滤波器高透过率和高消光比难以兼得的问题。
一种封装式亚波长光栅偏振滤波片，包括以红外材料制作的基底材料、与基底材料采用相同材料的光栅、双层金属膜、双层的第一、第二增透膜、与基底材料相同的封装材料；以入射光入射方向为始，依次设置第一增透膜、第二增透膜、基底材料、第二增透膜、第一增透膜，所述基底材料内具有矩形的亚波长光栅槽，所述亚波长光栅槽底和光栅顶部分别蒸镀一层金属膜，用与所述亚波长光栅槽由与基底材料相同的封装材料封装形成封装层，在封装好的基片两侧对称镀双层的第一、第二增透膜。
进一步地，所述封装材料与光栅材料以及基底材料的折射率相同。
进一步地，所述基底材料在长波红外波段有较好的光学性质。
进一步地，所述封装层的厚度为大于光栅槽深。
进一步地，光栅周期为200-1000nm；光栅槽深200-600nm；双层金属膜各层厚度为60-120nm。
进一步地，所述基底材料为下列之一：硅、锗；金属膜材料为下列之一：铝、金、铬。
进一步地，所述双层的第一、第二增透膜的两种高、低折射率材料分别为硫化锌和氟化镱；其中，第一增透膜为硫化锌，第二增透膜为氟化镱。
本发明还提供一种封装式亚波长光栅偏振滤波片的制造方法，包括如下步骤：
(1)在基底材料上直接制造矩形的亚波长光栅槽；
(2)分别在光栅槽底部和光栅顶部蒸镀一层金属膜；
(3)用与基底材料相同的封装材料封装光栅槽；
(4)在封装好的基片两侧对称镀制双层的第一、第二增透膜。
有益效果：
本发明在红外材料基底上直接制造出亚波长光栅结构，然后蒸镀一层铝膜，再用与基底材料相同的材料封装光栅，一方面可以保护金属膜，提高消光比，另一方面由于封装材料和光栅材料折射率相同，减少了反射损耗，可以很大程度的提高透过率，在封装好的光栅两侧镀制双层红外增透膜，可以减少红外材料基底的双层界面的反射，同时可以提高偏振滤波片机械强度，延长使用寿命，对于恶劣环境的偏振成像等领域具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例中的封装式亚波长光栅偏振滤波片的结构示意图。
图2是没有镀增透膜的封装式亚波长光栅偏振滤波片结构示意图。
图3是本发明实施例一中封装式亚波长光栅偏振滤波片的TM偏振光的透过率在光栅槽深变化时随入射光波长变化图。
图4是本发明实施例一中封装式亚波长光栅偏振滤波片的消光比在光栅槽深变化时随入射光波长变化图。
图5是本发明实施例二中封装式亚波长光栅偏振滤波片的TM偏振光的透过率在不同光栅周期时随入射光波长变化图。
图6是本发明实施例二中封装式亚波长光栅偏振滤波片的消光比在不同周期时随入射光波长变化图。
图7是本发明实施例三中封装式亚波长光栅偏振滤波片的TM偏振光的透过率在不同铝膜厚度时随入射光波长变化图。
图8是本发明实施例三中封装式亚波长光栅偏振滤波片的消光比在不同铝膜厚度时随入射光波长变化图。
图9是本发明实施例四中封装式亚波长光栅偏振滤波片的TM偏振光的透过率在不同占宽比时随入射光波长变化图。
图10是本发明实施例四中封装式亚波长光栅偏振滤波片的消光比在不同占宽比时随入射光波长变化图。
图11是本发明实施例五中封装式亚波长光栅偏振滤波片的TM偏振光的透过率在镀增透膜和不镀增透膜时随入射光波长变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，本发明的封装式亚波长光栅偏振滤波片包括基底材料14和厚度为h4的金属膜15。在红外材料制作的基底材料14上直接制造出亚波长光栅矩形槽，所述亚波长光栅槽的底部和光栅顶部分别蒸镀一层金属膜15，再用与基底材料14材料相同的材料封装光栅矩形槽，矩形光栅槽深为h3。
如图1所示，在封装好的光栅两侧对称镀制双层红外增透膜——第一材料12和第二材料13，可以减少基底材料14的双层界面的反射，同时可以提高偏振滤波片机械强度，其中p是光栅周期，w代表光栅槽宽，θ代表入射光与基底平面法线方向夹角。
本发明的封装式亚波长光栅偏振滤波片包括两层厚度为h1的第一材料12和两层厚度为h2的第二材料13，以入射光11入射开始，依次为第一材料12、第二材料13、基底材料14、第二材料13、第一材料12。
所述基底材料为硅(Si)或锗(Ge)，所述金属膜15的材料为铝、金、铬。双层红外宽波段增透膜材料分别为硫化锌(ZnS)和氟化镱(YbF3),两种材料是常见的红外增透膜材料，具有优良的光学性能。
所述光栅周期为200-1000nm；光栅槽深为200-600nm；金属膜15的厚度为60-120nm；所述封装材料与基底材料14相同，且厚度大于光栅槽深；光栅占宽比为0.3-0.7。
所述封装式亚波长光栅偏振滤波片的制造方法包括全息曝光、ICP刻蚀和金属热蒸镀三步。在基底材料14上采用ICP刻蚀出需要的光栅，然后热蒸镀金属膜15，最后用与基底材料14相同的材料填充光栅矩形槽，进行光栅的封装。
所述红外宽波段增透膜至少需要两层高、低折射率的薄膜实现，考虑设计尽可能简单的原则，采用两层膜来实现增透，高折射率材料为ZnS,低折射率材料为YbF3。以硅基底为例，经过膜系软件优化得到ZnS的厚度为857nm,YbF3的厚度为1267nm。
本发明的亚波长光栅，在单独考虑该结构而不考虑基底双界面反射时，可以在7-14um实现优良的透过率。基底材料14为硅，光栅周期为600nm，光栅槽深为450nm,采用铝膜的金属膜15的厚度为120nm,占宽比为0.5，TM透过率高于90％，消光比高于47dB。相比于目前高线密度实现高消光比的设计具有更低的加工难度。在考虑增透膜的吸收下，单侧透过率最高超过96％。理论上对于红外宽波段的增透设计，应该由五层以上膜构成，可以大大减少反射损失，从而进一步提高TM偏振光透过率。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。
实施例一：
参见图2，其为封装式亚波长光栅偏振滤波片示意图(两侧不镀增透膜)。
基底材料14是硅，光栅周期p＝600nm，w＝300nm，入射光11为TM或TE偏振光从基底正入射，波长为7-14um,金属膜15为铝膜，其厚度h4＝120nm。光栅槽深h3变化。
消光比ER定义为：
TTM是TM偏振光透过率，TTE为TE偏振光的透过率，其中TM偏振代表线偏光的电场矢量垂直于光栅线条方向，TE偏振代表线偏光的电场矢量平行于光栅线条方向，消光比的单位为dB。
单独考虑光栅结构的透过率(不考虑两侧界面反射)，TM偏振光透过率和消光比在不同光栅槽深h3下随波长变化关系如图3、图4所示。在7-14um波段，光栅槽深h3为400-500nm时，TM偏振光透过率均大于85％，消光比大于46dB,低线密度也可以实现较高的消光比和透过率。
实施例二：
参见图2，基底材料14是硅，光栅周期p变化，占宽比保持0.5不变，入射光11为TM或TE偏振光从基底正入射，波长为7-14um，金属膜15为铝膜，厚度h4＝120nm，光栅槽深h3为450nm。单独考虑光栅结构的透过率(不考虑两侧界面反射)，TM偏振光透过率和消光比在不同周期下随波长变化关系如图5、图6所示。随着光栅周期p的减小，TM偏振光透过率和消光比逐渐增大。
实施例三：
参见图2，基底材料14是硅，光栅周期p＝600nm,占宽比为0.5，入射光11为TM或TE偏振光从基底正入射，波长为7-14um，金属膜15为铝膜，铝膜厚度h4为60-120nm，光栅槽深450nm。单独考虑光栅结构的透过率(不考虑两侧界面反射)，TM偏振光透过率和消光比在不同厚度的铝膜下随波长变化关系如图7、图8所示。随着铝膜厚度增加，TM偏振光透过率逐渐减小，但消光比逐渐增加。综合考虑，可以选取铝膜厚度为80nm制造,透过率大于90％，最高超过96％，消光比大于40dB。
实施例四：
参见图2，基底材料14是硅，光栅周期p＝600nm,占宽比为0.3-0.7，入射光11为TM或TE偏振光从基底正入射，波长为7-14um，金属膜15为铝膜，厚度h4为120nm，光栅槽深h3为450nm。单独考虑光栅结构的透过率(不考虑两侧界面反射)，TM偏振光透过率和消光比在不同占宽比下随波长变化关系如图9、图10所示。占宽比互补(加起来等于1)的光栅，其透过率曲线以及消光比基本重合，这是该设计的一个独特性质，这个是因为封装介质与基底材料相同，一般选取占宽比为0.5，易于加工，且能保证最高的透过率，和较高的消光比。
实施例五：
参见图1，基底材料14是硅，第二材料13是硫化锌膜，第一材料12是氟化镱薄膜，在图2的封装基片上下两侧，分别镀上两层对称厚度的增透膜，第一材料12的厚度h1＝1267nm，第二材料13的厚度h2＝857nm，光栅周期p＝250nm,占宽比为0.5，入射光11为TM或TE偏振光从基底正入射，波长为7-14um,金属膜15为铝膜，厚度h4＝120nm，光栅槽深为450nm。考虑整个偏振滤波片的TM偏振光透过率(包括两侧界面反射)，TM偏振光透过率随波长变化关系如图11所示。在不加增透结构时，透过率较低，大部分波段透过率低于50％,虽然封装光栅结构具有较大透过率，但硅本身的界面反射更大，依旧需要镀增透膜，在考虑简单的双层膜系设计后，透过率最高可达88％，7-12um时，TM偏振光透过率高于70％，因为正入射时消光比主要由封装式光栅结构决定，故基本认为镀增透膜后消光比可参照实施例二，消光比应大于60dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：包括以红外材料制作的基底材料、与基底材料采用相同材料的光栅、双层金属膜、双层的第一、第二增透膜、与基底材料相同的封装材料；以入射光入射方向为始，依次设置第一增透膜、第二增透膜、基底材料、第二增透膜、第一增透膜，所述基底材料内具有矩形的亚波长光栅槽，所述亚波长光栅槽的底部和光栅顶部分别蒸镀一层金属膜，用与所述亚波长光栅槽与基底材料相同的封装材料封装形成封装层，在封装好的基片两侧对称镀双层的第一、第二增透膜。
2.根据权利要求1所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：所述封装材料与光栅材料以及基底材料的折射率相同。
3.根据权利要求1所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：所述基底材料在长波红外波段有较好的光学性质。
4.根据权利要求2所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：所述封装层的厚度大于光栅槽深。
5.根据权利要求1所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：光栅周期为200-1000nm；光栅槽深200-600nm；双层金属膜各层厚度为60-120nm。
6.根据权利要求1所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：所述基底材料为下列之一：硅、锗；金属膜材料为下列之一：铝、金、铬。
7.根据权利要求1所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片，其特征在于：所述双层的第一、第二增透膜的两种高、低折射率材料分别为硫化锌和氟化镱；其中，第一增透膜为硫化锌，第二增透膜为氟化镱。
8.一种权利要求1-7之一所述的封装式亚波长光栅偏振滤波片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
(1)在基底材料上直接制造矩形的亚波长光栅槽；
(2)分别在光栅槽底部和光栅槽顶部蒸镀一层金属膜；
(3)用与基底材料相同的封装材料封装光栅槽；
(4)在封装好的基片两侧对称镀制双层的第一、第二增透膜。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117310862A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 长春理工大学 | 一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法 |
| CN118567020A (zh) * | 2024-07-31 | 2024-08-30 | 西北工业大学宁波研究院 | 一种亚波长金属光栅偏振器件结构及其晶圆级制造方法 |
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2022
- 2022-07-06 CN CN202210790526.9A patent/CN115291313A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117310862A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 长春理工大学 | 一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法 |
| CN117310862B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-02-20 | 长春理工大学 | 一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法 |
| CN118567020A (zh) * | 2024-07-31 | 2024-08-30 | 西北工业大学宁波研究院 | 一种亚波长金属光栅偏振器件结构及其晶圆级制造方法 |
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