CN115903114A - 一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器及其制备方法，滤波器包括：基底材料和堆叠在基底上的异质结构，所述异质结构是以缺陷层为中心镜像对称的光子晶体，光子晶体的结构为(AB)nC(BA)n，其中A、B和C分别代表高折射率材料层、低折射率材料层以及缺陷层，所述的缺陷层材料采用低折射率介质材料。本发明的偏振不敏感角度滤波器采用p和s偏振分量在缺陷模式处近似对称的能带结构，实现了偏振不敏感的角度滤波。设计结构时通过引入缺陷产生法布里‑珀罗(F‑P)腔，来确保入射光的高透过率与较窄的角度透明窗口。此外，缺陷层的引入使得器件整体尺寸更薄，更有利于器件制造。
Description
技术领域
本发明属于微纳光子学领域，特别涉及一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器及其制备方法。
背景技术
电磁波控制的研究一直都是一个很有吸引力的科学领域。一般来说，对电磁波的控制是通过改变电磁波的频率、偏振、相位和传播方向来实现的。目前，对于电磁波频率、偏振和相位的控制已有大量的研究，相比之下，对于传播方向控制的研究较少，因此对于光传播方向的研究已经成为电磁波控制中一个重要的课题。目前实现角度滤波的方式大多是几何光学方法，例如望远镜中的透镜阵列系统和雷达中的抛物面镜盘。但这些系统通常体积庞大，价格昂贵。近年来，纳米光子学的发展带来了许多波长甚至亚波长尺度的新器件。基于微尺度几何光学、金属光栅的非共振布儒斯特角效应、超材料的有效折射率控制以及光子晶体的光子能带调谐等原理的光学器件已经被探索用于角度滤波。
其中基于几何光学的角度滤波器由微纳结构组成，可以阻挡来自倾斜入射光的光路。但是这种方式受限于较低的效率以及较大的设备尺寸。利用金属类布儒斯特角效应设计的角度滤波器可以弥补这一缺点，这类角度滤波器通常由一维或二维亚波长纳米金属光栅结构组成。其角度滤波效果是通过空气与金属光栅的阻抗匹配实现的。但这种方式存在着只允许非法向入射光传输以及角度透明窗口较宽的缺点。此外，基于超材料折射率调控的角度滤波器已经吸引了许多研究者的目光，目前已经通过设计近零折射率超材料和双曲超材料实现了实现法向窄角的角度滤波。但基于超材料折射率调控的角度滤波器对光偏振的响应不同，并且加工工艺与制作流程复杂，难以大面积制造。
基于光子晶体能带调谐的角度滤波器同样可以用于特定方向光束传播的控制。介质层的周期性堆叠使得光子晶体中存在周期性的势场，电磁波在其中传播的时候，传输会受到调制，表现为光子晶体能带结构的形成。其中允许光传播的部分被称作光子能带，不允许光传播的部分被称作光子带隙。利用带隙的调节，可以实现对来自法向或其他特定角度光传播的调节。然而，传统的基于光子晶体的角度滤波器不仅制造公差低，在角度透明窗口的大小和堆叠层数之间存在折衷。如果实现一个小角度的透明窗口需要堆叠很多的层数。此外还存在着只能对单一偏振态响应的缺点。因此，实现一个易于制造的具有较薄厚度的窄角滤波器用于偏振不敏感的角度滤波就显得十分重要。
基于以上工作的缺陷，本设计积极研究创新，设计了一种基于缺陷光子晶体的偏振不敏感角度滤波器，使其具有更广泛的应用价值和商业潜力。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本专利的目的在于提供了一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，包括：基底材料和堆叠在基底上的异质结构，所述异质结构是以缺陷层为中心镜像对称的光子晶体，光子晶体的结构为(AB)nC(BA)n，其中A、B和C分别代表高折射率材料层、低折射率材料层以及缺陷层，所述的缺陷层材料采用低折射率介质材料。
进一步的，高折射材料为射率高于2的材料，低折射率材料为折射率小于2的材料。
进一步的，高折射材料为硅、碳化硅、氮化硅或氧化钛。
进一步的，低折射率材料为二氧化硅、氟化镁、氮化硅或氧化铝。
进一步的，光子晶体的晶格常数为a，周期性堆叠的高折射率材料厚度为l1＝n1a，低折射率材料厚度为l2＝n2a，两种材料以1/4波长堆叠，满足条件n1 l1＝n2 l2＝λ/4且n1+n2＝1，其中λ为中心波长。
进一步的，缺陷层厚度为d，0<n3d<λ，其中λ为中心波长，n3为缺陷层材料折射率。
进一步的，基底为二氧化硅。
一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基底材料进行清洗；
(2)使用PECVD镀膜，镀膜温度设置为300℃并依次沉积出下半层周期性光子晶体、缺陷层、上半层周期性光子晶体，镀膜工艺结束后需要让样品在样品仓中降温300s。
进一步的，步骤1中的清洗为将基底材料浸泡在酒精中并超声处理15min，之后浸泡在去离子水中并超声处理10min，取出后用氮气将表面吹干。
本发明的优点在于：偏振不敏感角度滤波器采用p和s偏振分量在缺陷模式处近似对称的能带结构，实现了偏振不敏感的角度滤波。设计结构时通过引入缺陷产生法布里-珀罗(F-P)腔，来确保入射光的高透过率与较窄的角度透明窗口。此外，缺陷层的引入使得器件整体尺寸更薄，更有利于器件制造。最后，本发明的工作波长具有可调性，可以通过不同高低折射率材料的组合以及缺陷层和晶格常数的改变实现。
附图说明
图1是本发明实施例基于一维缺陷光子晶体的偏振不敏感角度滤波器角度滤波过程示意图(a)与角度滤波器结构示意图(b)。
图2是本发明实施例经过仿真计算得到的能带示意图。
图3是本发明实施例在工作波长为1.1μm处仿真得到的透过率关于入射角度的函数。
图4是本发明实施例制备的角度滤波器横截面的扫描电子显微镜图，比例尺为500nm。
图5是本发明实施例制备的角度滤波器的光学照片，比例尺为5mm。
图6是本发明实施例在工作波长为1.1μm处实验测量得到的透过率关于入射角度的函数。
图7是本发明实施例制备的具有不同缺陷层厚度的角度滤波器经过实验测量得到透过率作为波长和入射角度的函数图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明得到的角度滤波器设计灵活，通过改变缺陷层厚度、晶格常数以及光学镀膜层材料可以实现可见光到近红外波段任意工作波长的偏振不敏感角度滤波器元件。
本发明利用缺陷光子晶体结构设计制作角度滤波器元件的实施过程包括：
第一步，确定角度滤波器元件的基本结构，并选取工作波长λ＝1.1μm。
确定的角度滤波器元件的滤波过程以及基本结构单元分别如图1(a)(b)所示。单元结构包括基底材料和堆叠在所述基底上的异质结构，该异质结构由一组镜像对称的光学镀膜层和其中的缺陷层组成，根据工作波长，以及材料制备因素，选择硅(Si)作为高折射率材料，二氧化硅(SiO2)作为低折射率材料(同时也为缺陷层材料)。光子晶体晶格常数为a，缺陷层厚度为d，周期性堆叠的硅折射率为nSi，厚度为l1＝m1a，低折射率材料折射率为nSiO2，厚度为l2＝m2a，在这里两种材料以1/4波长堆叠，满足条件n1 l1＝n2 l2＝λ/4且m1+m2＝1，其中λ为中心波长。此外，本实施例中使用二氧化硅作为缺陷层，缺陷层厚度d满足条件0<nSiO2d<λ，其中λ同样为中心波长。
第二步，计算缺陷光子晶体的能带结构。
本步骤采用多物理场仿真软件COMSOL进行仿真，给出了电磁波入射一维缺陷光子晶体时的能带结构图，所有结果都以无量纲频率ωa/2πc表示。入射电磁波可以是p偏振光或s偏振光。对于p偏振光，磁场方向垂直于x-y平面，s偏振光，电场垂直于x-y平面。p和s偏振光入射时对应的能带结构如图2所示。左侧和右侧区域中的灰色圆点分别代表p和s偏振光入射时的传播状态，白色区域表示光子带隙。带隙中的光无法传输。灰色斜线代表光轴，在光轴以下的模式无法传播远场。由于缺陷层的引入，在第一光子带隙中存在一种缺陷模式，利用缺陷模式的边缘(图2中水平黑色虚线表示)，可以实现法向的窄角滤波。此外，由于缺陷模式对p偏振光和s偏振光的响应相近，该一维缺陷光子晶体是对偏振不敏感的。
第三步，根据能带结构确定缺陷光子晶体的结构参数。
所述的结构参数包括硅层、二氧化硅层与缺陷层的厚度以及晶格常数。本步骤采用电磁仿真软件平台FDTD Solutions进行仿真，仿真以透过率、工作波长以及角度半峰全宽为优化目标，经过优化计算，得到结构参数为：单元结构中硅层厚度l1＝0.32a，二氧化硅层厚度l2＝0.68a，晶格常数a＝250nm，二氧化硅缺陷层厚度d＝50nm。仿真得到的透过率与入射角度关系如图3所示，角度半峰全宽为8°(-4°<θ<4°)，垂直入射时透过率为70％。可以看出该器件对于p和s偏振光响应几乎相同，表明其具有良好的偏振不敏感特性。
第四步，实验制备(以第一至第三步所述器件为例)
步骤1，在进行镀膜工艺之前，首先要对基片进行清洗，目的是清除表面杂质减少对膜层的影响。具体流程如下，首先将玻璃基片放入清洗篮，然后浸入装有足量酒精的烧杯中，将烧杯放入超声清洗机中超声15分钟，取出后再浸入装有足量去离子水的烧杯中，再将烧杯放入超声清洗机中超声10分钟，取出后用氮气将表面吹干并放入事先准备好的培养皿中。
步骤2，使用PECVD镀膜。镀膜流程如下，对于硅薄膜：腔室中通入5％硅烷/氩气混合气体，流量500(Sccm)，速率为44nm/min；对于二氧化硅薄膜：腔室中通入硅烷流量为75(Sccm)，笑气流量为710(Sccm)，速率为46nm/min。根据目标厚度与已有镀膜速率设置好镀膜时间后，将镀膜温度设置为300℃并按照结构设计依次沉积出下半层周期性光子晶体、缺陷层、上半层周期性光子晶体，需要注意的是在镀膜工艺结束后需要让样品在样品仓中降温300s左右。否则样品在高温状态下直接接触室温环境会导致非晶硅部分晶体化，介电常数将随之改变。
经过上述步骤的得到了所设计的偏振不敏感角度滤波器，图4为制备的角度滤波器的扫描电子显微镜图，其中深色部分为二氧化硅层，浅色部分为硅层。图5为该器件的光学照片。
通过角度分辨显微光谱系统测量实验制得器件的透过率随角度变化曲线如图6所示，实验测量的角度半峰全宽为12°(-6°<θ<6°)，透过率峰值为62.5％。仿真与实验的差异主要是由于实验误差造成的。
进一步地，只改变缺陷层厚度大小，保持工艺流程与上述一致，可以实现不同工作波长器件的制备。图7表示缺陷层厚度不同的样品的透过率作为波长和入射角的函数图。
随着缺陷层厚度从25nm增加到75nm，角度滤波器的工作波长从1.07μm红移至1.15μm，且保持了良好的偏振不敏感特性。可以看出，改变缺陷层厚度可以实现角度滤波器工作波长的调节，这使得器件在设计上更为灵活。
这里需要说明的是：第一，上述实施例中虽然只阐述通过优化缺陷层的厚度实现对器件工作波长的调控，但也可以通过调节晶格常数以及改变高低折射率材料组合，实现对工作波长的调节。且不仅可以实现近红外波段的角度滤波，而且可以实现可见光波段的角度滤波。
第二，上述实施例中只阐述了利用缺陷模式边缘实现垂直方向角度滤波的方式，但也可以通过利用缺陷模式的不同位置实现非垂直方向的角度滤波。
第三，在实际结构中，上述基于缺陷光子晶体的角度滤波器是设计在氧化硅基底上的，但也可以根据不同的需要选择不同的基底。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于包括：基底材料和堆叠在基底上的异质结构，所述异质结构是以缺陷层为中心镜像对称的光子晶体，光子晶体的结构为(AB)nC(BA)n，其中A、B和C分别代表高折射率材料层、低折射率材料层以及缺陷层，所述的缺陷层材料采用低折射率介质材料。
2.根据权利要求书1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述高折射材料为射率高于2的材料，低折射率材料为折射率小于2的材料。
3.根据权利要求书1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述高折射材料为硅、碳化硅、氮化硅或氧化钛。
4.根据权利要求书1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述低折射率材料为二氧化硅、氟化镁、氮化硅或氧化铝。
5.根据权利要求1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述光子晶体的晶格常数为a，周期性堆叠的高折射率材料厚度为l1＝n1a，低折射率材料厚度为l2＝n2a，两种材料以1/4波长堆叠，满足条件n1 l1＝n2 l2＝λ/4且n1+n2＝1，其中λ为中心波长。
6.根据权利要求1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述缺陷层厚度为d，0<n3d<λ，其中λ为中心波长，n3为缺陷层材料折射率。
7.根据权利要求1所述的基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器，其特征在于：所述基底为二氧化硅。
8.一种根据权利要求1至7任一所述基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对基底材料进行清洗；
(2)使用PECVD镀膜，镀膜温度设置为300℃并依次沉积出下半层周期性光子晶体、缺陷层、上半层周期性光子晶体，镀膜工艺结束后需要让样品在样品仓中降温300s。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的清洗为将基底材料浸泡在酒精中并超声处理15min，之后浸泡在去离子水中并超声处理10min，取出后用氮气将表面吹干。
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| CN202210649831.6A Pending CN115903114A (zh) | 2022-06-09 | 2022-06-09 | 一种基于光子晶体膜层结构的偏振不敏感角度滤波器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115903114A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117348124A (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-05 | 济南能谱航空科技有限公司 | 10.6μm激光高透过的红外低辐射材料 |
| CN117369029A (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-09 | 济南能谱航空科技有限公司 | 1.06μm激光窗口用红外低辐射材料 |
-
2022
- 2022-06-09 CN CN202210649831.6A patent/CN115903114A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117348124A (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-05 | 济南能谱航空科技有限公司 | 10.6μm激光高透过的红外低辐射材料 |
| CN117369029A (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-09 | 济南能谱航空科技有限公司 | 1.06μm激光窗口用红外低辐射材料 |
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