CN116880057A - 一种基于空间形貌调制的光谱调制器件、光谱仪及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间形貌调控的光谱调制器件及其制备方法，光谱调制器件包括：上表面为在不同空间位置具有空间斜率的连续表面形貌的支撑层以及附着于支撑层上表面的光调制层，所述光调制层具有周期性微纳结构，所述光谱调制器件的空间不同位置处对入射光的光谱具有不同的透射光谱。本发明提供的光谱调制器件可通过对固定周期的模板进行复制翻模获得具有滤光响应的光调制层，再通过空间形貌调控在不同空间位置处获得不同的滤波响应，能够显著降低目前类似光谱调制器件制备的工艺复杂性和成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域。本发明具体涉及光学滤波、光谱调制器件及器件制备方法，以及实现光谱重构的检测系统。
背景技术
光谱分析成为工业和科学研究中最受欢迎的分析工具之一。通常，具有高分辨率和宽光谱范围的商用光谱分析仪非常昂贵，且尺寸庞大，依赖于复杂的色散光学元件、移动部件和较长的光路。随着纳米技术和消费电子产品的发展，光谱仪的进一步小型化受到越来越多的关注，因其具有集成到智能手机等设备的潜力。同时，随着计算能力的显着提高和成本的降低，机器学习技术已被广泛应用于许多研究领域，包括成像、条纹图案分析、显微镜和光谱学。因此，在超紧凑型显微光谱仪研究的方法中，包括微型色散光学、窄带滤波器组或可变滤波器、傅立叶变换和基于计算光谱重建的系统，最后一种被认为是最有潜力的一种。目前，大多数计算光谱仪依赖随机光谱到空间映射的关键器件，包括光子芯片中的无序结构、多模波导、基于胶体量子点混合物光谱滤波器和特殊设计的纳米线等，而这些器件都需要特殊设计，并且制作工艺复杂。
周期排布的一维或二维光子晶体可被用来构建实现波长选择的器件，由于光子晶体禁带的存在，在多次反射、折射的叠加体现出的总体效果上看，它可选择性地透过某些波长的光，而其他波长的光会被反射，因此具有光谱调制效应。在经过设计的光子晶体表面制备高折射率介质薄膜，有望通过波矢匹配将特定波长的入射光约束在介质薄层构成的波导中，获得更明显的滤波响应。在光子晶体表面制备金属薄膜，也有望通过波矢匹配使特定波长的入射光激发表面等离子体效应，获得明显的滤波效应。
以基于光子晶体的光调制器件为例，用于计算光谱仪的光调制器件需要在对应于空间不同位置的光探测区域具有不同的光谱调制响应，因此不同的调制单元光子晶体的结构要有不同，而其特征尺寸都在亚波长量级，要获得该量级的精确控制，对器件加工工艺要求十分高。目前要实现该类器件的方式主要是通过电子束光刻或者深紫外光刻等，在以硅为主的半导体基底材料上刻蚀获得。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的任务是提供一种空间形貌调控的光谱调制器件及其制备方法，该器件通过对固定周期的模板进行复制翻模以及空间形貌调控实现空间不同位置处具有不同的滤波响应，能够降低目前类似光谱调制器件制备的工艺复杂性。另一方面，该方法可将同样的周期性光子晶体结构转移到低折射率聚合物透明基底上，还可进一步增加高折射率透明介质/金属包覆层，获得更明显且随空间形貌特征变化的滤光响应。
第一方面，本发明提供了一种基于空间形貌调控的光谱调制器件。
所述光谱调制器件包括上表面为在不同空间位置具有空间斜率的连续表面形貌的支撑层以及附着于支撑层上表面的光调制层,所述光谱调制器件的空间不同位置处对入射光的光谱具有不同的滤波响应。
所述光调制层是制备在柔性材料表面的周期性微纳结构，具有一定光谱滤波响应。
所述柔性材料是指具有一定杨氏模量的聚合物材料，可通过紫外光照射、温度控制等方式将其从液态转化为固态。
所述空间形貌调控是针对柔性材料表面的光调制层，从空间上对其整体形貌进行调控，从而改变光谱调制器件在不同空间位置处的光谱滤波响应。
所述光调制层和支撑层可以由相同材料一次加工制成，也可以由不同材料不同工艺获得。
在一个示例中，所述光谱调制器件还包括覆盖于光调制层表面的、与支撑层上表面的形貌互补的覆盖层，使得构成的光谱调制器件厚度均匀。
在一个示例中，所述柔性材料包括但不限于高弹性的有机硅聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和光刻胶、紫外胶。
所述光调制层中的空间不同位置处对入射光的光谱具有不同的调制作用。
在一个示例中，所述光调制层是原本规则且均匀一致的周期性微纳结构。
在一个示例中，所述光调制层是周期变化的一维或二维光子晶体结构。
在一个示例中，所述光调制层的空间各处周期单元形状一样。
在一个示例中，所述光调制层的空间各处周期单元形状不同。
在一个示例中，所述光调制层和支撑层由相同的柔性材料，经过一次加工制成。
在一个示例中，所述光调制层为柔性材料制成的薄膜，被铺在不同材料制成的支撑层表面。
在一个示例中，所述光谱调制器件包括支撑层、光调制层，以及覆盖于光调制层上表面的包覆薄层。
在一个示例中，所述光谱调制器件中，覆盖于光调制层上表面的包覆层为折射率高于柔性材料的透光介质薄层，如TiO2、Ta2O5等。
在一个示例中，所述光谱调制器件中，覆盖于光调制层上表面的包覆层为金属薄层，如金、银等。
第二方面，本发明提供了一种空间形貌调控的光谱调制器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)对具有特定周期的微纳阵列硬模板使用柔性材料1进行纳米压印，将该微纳阵列结构复制到柔性材料1表面，获得柔性印章；
(2)对所述柔性印章进行空间形貌调控，获得产生空间形貌变化的柔性印章；
(3)将所述空间形貌变化的柔性印章作为软模板，使用柔性材料2进行纳米压印，将步骤(2)中经过空间形貌调控的微纳结构复制到柔性材料2表面，获得光调制层，同时在其在固化过程中保持底面平齐，形成空间形貌变化与所述柔性印章形状互补的支撑层。
在一个示例中，所述制备方法还包括步骤(4)，在所述柔性材料2表面制备包覆薄层以获得更明显的特征光谱滤波响应。
在一个示例中，所述柔性材料1采用高弹性的PDMS材料，用以进行空间形貌调控。
在一个示例中，所述柔性材料2采用紫外胶，通过紫外光照射固化形成光调制层。
在一个示例中，在步骤(3)中对所述柔性印章进行拉伸、压缩等一维或二维形貌调控、弯曲、扭曲等三维形貌调控，以及上述操作中的一种或几种的组合，对实现对空间不同位置处微纳周期的调谐。
进一步的，在一个示例中，在步骤(3)中对所述柔性印章的背面进行随机的厚度减薄，然后进行拉伸、压缩、弯曲、扭曲等形貌调控操作中的一种或几种的组合，对实现对空间不同位置处微纳周期的调谐。
在一个示例中，在步骤(3)中，在柔性材料2表面获得复制的空间形貌调控的微纳结构后，在柔性材料2彻底固化之前，还可进一步对其进行空间形貌调控，以获得空间形貌调制增强的光调制层。
在一个示例中，步骤(4)中所述包覆薄层为高折射率透光介质薄层，如TiO2，Ta2O5等，以通过导模共振效应获得增强的特征光谱调制响应。
在一个示例中，步骤(4)中所述包覆薄层为金属薄层，如Au，Ag等，以通过表面等离子共振效应获得增强的特征光谱调制响应。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则且均匀的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则且均匀一致的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为具有规则且均匀变化周期的一维或二维光子晶体模板。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为具有固定周期的一维或二维光子晶体模板。
第三方面，本发明提供了一种空间形貌调控的光谱调制器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)对具有特定周期的微纳阵列硬模板使用柔性材料进行纳米压印，将该微纳阵列结构复制到柔性材料表面，获得光调制层；
(2)将所述光调制层铺在具有三维空间形貌调控的支撑层上。
在一个示例中，所述制备方法还包括步骤(3)，在所述光调制层上表面制备包覆薄层以获得更明显的特征光谱滤波响应。
在一个示例中，所述柔性材料1采用高弹性的PDMS材料，用以形成柔性印章。
在一个示例中，所述柔性材料2采用紫外胶，通过紫外光照射固化形成光调制层。
在一个示例中，步骤(3)中所述包覆薄层为高折射率透光介质薄层，如TiO2，Ta2O5等，以通过导模共振效应获得增强的特征光谱调制响应。
在一个示例中，步骤(3)中所述包覆薄层为金属薄层，如Au，Ag等，以通过表面等离子共振效应获得增强的特征光谱调制响应。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则且均匀的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为原本规则且均匀一致的周期性亚波长微纳阵列结构。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为具有规则且均匀变化周期的一维或二维光子晶体模板。
在一个示例中，所述步骤(1)中的硬模板为具有固定周期的一维或二维光子晶体模板。
在一个示例中，所述支撑层为镂空的透光塑料支架，其上表面在不同空间位置具有空间斜率的连续表面形貌。
在一个示例中，所述支撑层基于固化后的柔性材料，且其上表面的形貌特性复制于具有特定连续表面形貌变化的模板。
根据上述技术方案可知，本发明实施例提供的光谱调制器件及其制备方法，通过纳米压印等方式将具有特定周期的微纳阵列结构从硬模板转移到柔性材料表面形成柔性印章，然后转移到另一柔性材料表面获得光调制层。然后将光调制层置于上表面具有变化表面形貌的支撑层上，获得不同空间位置具有不同滤波响应的光谱调制器件。
相较现有方案依靠电子束曝光刻蚀等精细的加工手段获得随空间位置周期变化的光调制层，本发明可利用工艺相对简单、成本较低、易于获得的均匀周期模板，获得由微纳阵列结构组成的光调制层，并将其进行空间形貌调制，从而构建随空间位置不同而变化的光谱滤波响应。
现有方案通过CMOS加工工艺获得精细的随空间位置周期变化的光调制层，其基底必须是硅基、氮化硅、三五族等半导体材料，按本发明的方法制备的光调制层基于有机聚合物，如PDMS、紫外胶、光刻胶等，其在可见光区域透光度高，具有良好的化学稳定性，制备工艺简单，成本低。
本发明方法提出的光谱调制器件还可以在光调制层表面增加包覆薄层，以获得包括导模共振效应在内的对空间形貌敏感的滤波效应，以获得更明显和空间差异化的特征光谱空间调制响应。
本发明方法提出的光谱调制器件还可以增加表面形貌与支撑层上表面互补的覆盖层，以获得厚度均匀的光谱调制器件。
按本发明的方法制备空间形貌调制的光谱调制器件，可与光电探测阵列集成，以实现集成化、低成本的小型计算光谱仪。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明实施例提供的空间形貌调控的光谱调制器件的三维空间示意图，由下到上三部分分别对应：光谱调制器件的支撑层1、光调制层2、覆盖层4。
图2为获得所述光调制层的微纳阵列硬模板结构示意图。(a)图为一维结构示意，(b)图为二维结构示意。
图3为所述光谱调制器件的截面示意图。(a)示意支撑层材料与光调制层材料不同，(b)示意光调制层上方还有包覆薄层，(c)示意支撑层与光调制层材料相同。
图4为所述光调制层的截面示意图。(a)示意均匀一致周期分布，(b)示意渐变周期分布，(c)示意随机周期分布。
图5为本发明实施例提供的一种光谱仪系统示意图。由上往下依次为：偏振控制器件5、光谱调制器件6、光探测阵列7。
图6为本发明实施例提供的空间形貌调控的光谱调制器件光谱响应排列。在(a)中所示为实施例中通过渐变周期获得的光谱调制器件光谱响应排列示意图，(b)中所示为实施例中通过表面随机形变获得的光谱调制器件光谱响应排列示意图，其光谱响应分布与表面形变特征相关。
图7为本发明实施例提供的光电探测器阵列和所规划的探测器单元的平面示意图。图中小网格表示探测器单位像素，大网格表示由单位像素构成的与光谱调制器件响应相对应的探测器单元。其中，可根据不同光谱调制器件的响应分布自适应划分光电探测器单元。
其中
1、支撑层；2、光调制层；3、包覆薄膜；4、覆盖层；5、偏振控制器件；6、光谱调制器件；7、光探测阵列
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施方式并配合附图详予说明。所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
本申请具体实施例提供一种空间形貌调控的光谱调制器件及其制备方法，并介绍了基于该光谱调制器件的光谱仪系统。
实施例1：
传统的光谱仪由于需要空间色散元件以及与此相适应的空间准直等光学元件，导致其体积较大，而且由于所需光学元件的精密性要求，导致价格比价昂贵。随着小体积低成本的微型光谱仪的需求越来越大，市面上出现了很多光谱仪微型化的方案，包括色散型、窄带滤光型、傅里叶变换型、计算重建型微型光谱仪，其中由于计算机技术的迅速发展，计算重建型微型光谱仪受到了更多的关注。然而至今为止提出的计算重建微型光谱仪的方案，在空间调制器件的制备工艺方面要求都比较高，从而导致其制备复杂且成本高。本实施例中使用的用作光谱重建的核心光谱调制器件由于制备工艺简单，成本低廉，在成本和工艺复杂度方面具有显著优势，可用于替代需要经过复杂加工工艺和精心设计的相关光谱调制器件。
图1为本实施例中的光谱调制器件的爆炸示意图，图3(a)为本实施例中光谱调制器件的横截面图示意。图2为用来获得光调制层的具有特定周期微纳阵列结构的硬模板，本实施例采用的是如图2(a)所示的一维光栅。图3为本实施例中获得的光调制层，可以是通过均匀一维光栅硬模板获得的均匀周期性微纳阵列结构(a)，也可以是通过周期变化的一维光栅硬模板获得的具有均匀变化周期的微纳阵列结构(b)或者具有随机变化周期的微纳阵列结构(c)。而图3(b)(c)的结构亦可通过具有均匀一维光栅的硬模板在纳米压印、翻模过程中通过沿栅线方向拉伸或压缩柔性印章的方式后获得。图4是本实施例中获得的光谱调制器件的截面示意图，包括支撑层1、光调制层2，以及可选择制备的包覆薄层3和覆盖层4。其中光调制层2基于柔性材料基底。
所述柔性材料包括但不限于高弹性的有机硅聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及各种热敏、光敏的聚合物，如光刻胶、紫外胶等。在本实施例中，光调制层基于紫外胶表面获得的经空间形貌调控的一维光栅结构，光调制层表面还沉积了一层TiO2薄膜，这一包覆薄膜的作用是实现导模共振，如图4(c)所示。光栅的材料可以为折射率为1.2-1.8的紫外胶，在光正入射到光栅时，随着光栅材料折射率增高，滤波响应波长向长波长移动。光栅周期越大，滤波响应波长越长。所以根据光子晶体不同的折射率的材料以及光栅不同的周期，可以实现在光子晶体中各个位置具有不同的光谱响应，这一效果可以用图6来表示。
在本实施例中，为了在柔性基底表面制作表面形貌变化的微纳阵列结构，首先利用基于硅材质的一维光栅硬模板，采用纳米压印的方法，用PDMS翻模，将一维光栅结构从硬模板表面转移到PDMS表面，获得柔性印章。在这一过程中，根据需要的PDMS薄膜的厚度和弹性配置适量体积比的PDMS预聚物和固化剂。基于这一PDMS柔性印章，再次通过纳米压印技术，将PDMS柔性印章的表面结构复制到如紫外胶等聚合物材料表面并采用紫外光固化、加热固化等方式获得成型的光调制层薄层。为了增强光谱响应效果，还可以在光调制层薄层表面再通过磁控溅射或者离子束蒸发等方式沉积一定厚度的高折射率介电材料薄膜，如TiO2薄膜，薄膜的厚度可以为波长的0.05-1倍。然后将该光调制层薄膜固定于具有空间形貌变化的支撑层表面，并制备表面形貌变化与支撑层互补的覆盖层，倒扣于光调制层上表面，形成的光谱调制器件如图4(a)(b)所示。其中，支撑层可以是另一通过翻模、纳米压印等方式获得的透明柔性材料，也可以是以3D打印等方式获得的透光镂空曲面支架等。
为了得到不同位置具有不同光谱滤波响应的光子晶体，还可以在上述柔性印章制备过程中，采用拉伸、压缩、弯曲或扭曲柔性印章的方式以使其产生二维或三维形变的方式来实现空间形貌调控，并在下一步骤中通过固化一定厚度的紫外胶，同时获得基于相同材料的光调制层和支撑层。
其具体制备过程如下：首先利用基于硅材质的一维光栅硬模板，采用纳米压印的方法，用PDMS翻模，将一维光栅结构从硬模板表面转移到PDMS表面，获得柔性印章。在这一过程中，根据需要的PDMS薄膜的厚度和弹性配置适量体积比的PDMS预聚物和固化剂，并在固化PDMS柔性印章时，采用例如将装有PDMS的模具倾斜等方式获得厚度变化、但表面光栅结构与硅模板互补的PDMS柔性印章。为了得到周期变化的光调制层，可选择对PDMS柔性印章沿垂直于栅线方向拉伸或压缩，由于不同位置厚度不同，相同作用力下，拉伸或压缩引起的形变量不同，从而可以产生变化的光栅周期。为了得到空间形貌调控的支撑层，对PDMS柔性印章采用弯曲或扭曲的方式使其产生二维或三维形变，然后基于这一空间形貌调控后的PDMS柔性印章，再次通过纳米压印技术，将PDMS柔性印章的表面微纳结构复制到如紫外胶等聚合物材料表面的同时，将该产生的二维或三维形变也复制到了如紫外胶等聚合物材料构成的支撑层表面，然后采用紫外光固化、加热固化等方式获得成型的光调制层以及支撑层。为增强光谱响应效果，还可以在光调制层薄层表面再通过磁控溅射或者离子束蒸发等方式沉积一定厚度的高折射率介电材料薄膜。
由于光栅结构在不同入射角的情况下得到的透射谱不同，在本实例中随着入射角逐渐变大，得到的透射谱的特征响应也逐渐向短波长移动。所述扭曲的表面形变光子晶体，即是通过其各位置处入射角度不同实现不同位置具有不同光谱响应的方式。所述扭曲操作可以为对硬度较小的紫外胶表面光栅薄膜进行二维随机扭曲以产生随机二维形变，使用所述扭曲紫外胶薄膜制备的光子晶体不同位置处具有随机的滤波光谱响应；也可通过将柔性印章做薄，将PDMS表面光栅薄膜作为光调制层，固定于支撑层表面。在实施上述空间形貌调控之前，还可以在柔性印章的背面进行随机减薄、挖孔等操作，以进一步增强形貌调控的随机性。
基于本实例中空间形貌调控的光谱调制器件构建的光谱仪系统如图5所示，主要包括偏振控制器件、光谱调制器件和光电探测阵列。在平行光入射情况下，对于二维形貌调控的光谱调制器件，由于光谱调制器件各处的周期不同将产生不同光谱响应，具体来讲在本实例中就是周期越大处的光栅结构产生的光谱特征响应波长越长；或者周期均匀一致，空间斜率不同处的一维光栅结构对应的光谱不同。以此可将光子晶体按不同位置划分为N个单元，此处单元划分的最大数量受限于探测器的像素数目，每个单元对应一个响应特性Rn，如图6(a)所示，其对应的探测器阵列单元的划分如图7(a)所示。而对于三维空间形貌调控的光谱调制器件而言，每个单元对应的响应特性如图6(b)所示，其对应的探测器阵列单元的划分如图7(b)所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于空间形貌调控的光谱调制器件，其特征在于包括：上表面为在不同空间位置具有变化的空间斜率的连续表面形貌的支撑层以及附着于支撑层上表面的光调制层；所述光调制层具有周期性微纳结构；所述光调制层表面有包覆薄层，且能形成模式共振，具有一定光谱滤波响应；所述光谱调制器件的空间不同位置处对入射光的光谱具有不同的透射光谱。
2.根据权利要求1所述的光谱调制器件，其特征在于，还包括覆盖于光调制层表面的、与支撑层上表面的形貌互补的覆盖层，使得构成的光谱调制器件厚度均匀。
3.根据权利要求1所述的光谱调制器件，其特征在于，所述光调制层是规则且均匀一致的周期性微纳结构，或者是周期和/或形状变化的一维或二维光子晶体结构。
4.根据权利要求1所述的光谱调制器件，其特征在于，所述的包覆薄层为高折射率透光介质薄层或者金属薄层。
5.根据权利要求1或4所述的光谱调制器件，其特征在于，所述的高折射率透光介质薄层优选TiO2或Ta2O5，金属薄层优选Au或Ag。
6.一种权利要求1所述的光谱调制器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)对具有特定周期的微纳阵列硬模板使用第一柔性材料进行纳米压印，将该微纳阵列结构复制到第一柔性材料表面，获得光调制层；
(2)将所述光调制层铺在具有三维空间形貌调控的支撑层上；
(3)在所述光调制层表面制备包覆薄层，以形成模式共振。
7.根据权利要求6所述的光谱调制器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)可以调换先后次序。
8.一种光谱仪，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一项所述的光谱调制器件以及平行放置在光谱调制器件下方的光电探测阵列。
9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，还包括平行放置于光谱调制器件上方的偏振控制器件。
10.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述光电探测阵列包括一维光电探测阵列以及二维光电探测阵列，即图像传感器。
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