本實(shí)用新型涉及光學(xué)元件制備技術(shù)，具體涉及一種全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件。

背景技術(shù)：

在成像技術(shù)中，由于偏振成像技術(shù)可以在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離的圖像獲取操作，在抑制背景噪聲、提高探測距離、細(xì)節(jié)特征獲取以及目標(biāo)偽裝識(shí)別等方面具有絕對優(yōu)勢。因此，其具有非常廣泛的應(yīng)用，例如：可探測隱藏或偽裝的目標(biāo)；可實(shí)現(xiàn)海面以及水下目標(biāo)的探測和識(shí)別；可實(shí)現(xiàn)煙霧氣候環(huán)境條件下的導(dǎo)航；有效區(qū)分金屬和絕緣體或是從引誘物中區(qū)分真實(shí)目標(biāo)；可進(jìn)行癌癥、燒傷等醫(yī)學(xué)診斷；可對物體特征（如指紋等）進(jìn)行識(shí)別；可實(shí)現(xiàn)星載或機(jī)載遙感；還可與其它技術(shù)相結(jié)合，如多光譜偏振紅外成像、超光譜偏振紅外成像等。在偏振光成像技術(shù)中，圓偏振成像因其在大顆粒散射介質(zhì)中的獨(dú)特優(yōu)勢受到廣泛重視。如在水底、煙霧、云層以及生物組織中圓偏振光的成像質(zhì)量要優(yōu)于線偏振光。

在光學(xué)成像技術(shù)中區(qū)分圓偏振左旋右旋極為重要。傳統(tǒng)區(qū)分左右旋圓偏振光的方法一般是用四分之一波片把圓偏振轉(zhuǎn)化成不同偏振方向的線偏振光，然后再根據(jù)所需要的偏振方向選用檢偏器過濾。然而這種方法適用的波段受限于波片的帶寬而且不利于元件的小型化與集成化。近年來，含表面等離子波的亞波長結(jié)構(gòu)器件與技術(shù)作為一個(gè)新興的學(xué)科，在許多領(lǐng)域有著很多潛在的應(yīng)用，因而越來越受到人們的關(guān)注。目前，許多課題組在利用納米微結(jié)構(gòu)區(qū)分左右旋圓偏振光方面做了大量的研究工作。在三維空間結(jié)構(gòu)方面，2009年，Justyna K. Gansel 等人提出并制作了一種寬帶的圓偏振光檢偏器，即在介質(zhì)基底上周期性的放置螺旋上升金屬金線，通過控制螺旋線的旋轉(zhuǎn)方向，可實(shí)現(xiàn)對左旋和右旋圓偏振光的選擇性透過。他們先在玻璃基底上沉積一層極?。?5nm）的銦錫氧化物（ITO）作為電化學(xué)沉積的陰極，然后涂上正性光刻膠，通過3D激光直寫系統(tǒng)將螺旋空氣線刻出，再放入含金的電解液中使用電化學(xué)沉積的方法將金填充到空隙中，最后除去光刻膠，得到在4um-8um圓二色性平均為70%的寬帶圓偏振片。這種結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，難于制作。2014年，Wenshan Cai等人設(shè)計(jì)并制作了雙層弧形金屬(Ag)結(jié)構(gòu)，他們在高低不同的臺(tái)階上分別設(shè)置圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)，并實(shí)驗(yàn)上在1.4um處得到最大圓二色性為35%。2014年，E.-B. Kley等人，制作了2-D和3-D海星形金屬（Au）結(jié)構(gòu)，其中三維結(jié)構(gòu)在660nm處得到40%的圓二色性。然而現(xiàn)有三維空間結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜制作難度較大，不能與傳統(tǒng)光刻技術(shù)兼容。2009年，Qiwen Zhan 等人提出了一種檢測左旋和右旋圓偏振光的設(shè)計(jì)方法，即利用帶有亞波長線寬的螺旋金屬狹縫，對左右旋圓偏振光在結(jié)構(gòu)的出射面外，形成不同的聚焦光斑（亮斑，暗斑）來進(jìn)行區(qū)分左右旋圓偏振光。然而這種結(jié)構(gòu)只能在模式上進(jìn)行區(qū)分左右旋圓偏振光，在透過率能量上區(qū)分度極小。現(xiàn)有技術(shù)存在結(jié)構(gòu)區(qū)分度低，作用波段窄，并且與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝不兼容等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的設(shè)計(jì)與制作方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對左右旋圓偏振光的區(qū)分，并具波段較寬，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作的特點(diǎn)。

為達(dá)到上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件，由結(jié)構(gòu)單元陣列組成；所述結(jié)構(gòu)單元包括透光基底與覆蓋于基底上的介質(zhì)層；所述介質(zhì)層設(shè)有Z型通孔；所述Z型通孔貫穿介質(zhì)層的上表面與下表面；所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μm～0.24μm，橫向臂長為0.48μm～0.54μm，縫寬為0.30μm～0.33μm；所述介質(zhì)層的厚度為0.20μm～0.26μm；所述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件中，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.97μm～1.00μm。

上述技術(shù)方案中，所述透光基底包括二氧化硅透光基底材料，介質(zhì)層為硅、鍺、砷化鎵等半導(dǎo)體材料；優(yōu)選的，介質(zhì)層為硅，透光基底為二氧化硅。制作工藝較為成熟，而且價(jià)格便宜、容易獲取。

本發(fā)明還公開了一種全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件，由結(jié)構(gòu)單元陣列組成；所述結(jié)構(gòu)單元為絕緣體硅片；所述絕緣體硅片的頂層硅層設(shè)有Z型通孔；所述Z型通孔貫穿絕緣體硅片的頂層硅層的上表面與下表面；所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μm～0.24μm，橫向臂長為0.48μm～0.54μm，縫寬為0.30μm～0.33μm；所述絕緣體硅片的頂層硅層的厚度為0.20μm～0.26μm；所述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件中，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.97μm～1.00μm。絕緣體硅片為Si層+SiO2中間層+Si基底的組合，根據(jù)位置關(guān)系，Si層為頂層硅層，較薄。

上述技術(shù)方案中，位置關(guān)系為實(shí)際應(yīng)用時(shí)的狀態(tài)，介質(zhì)層在透光基底上方，Z型通孔刻蝕在半導(dǎo)體介質(zhì)層中，在刻蝕的過程中Z型通孔刻穿介質(zhì)層，Z型通孔貫穿介質(zhì)層上下表面，因此為通孔，所述Z型通孔上，任意兩條邊的距離都小于每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期，即Z型通孔尺寸小于結(jié)構(gòu)單元周期，通孔不到介質(zhì)層邊緣。Z型通孔為二維手性結(jié)構(gòu)，手形結(jié)構(gòu)是指自身的鏡像不能夠與自身重合，Z型通孔能夠?qū)θ肷涞淖笥倚龍A偏振光有著不同的吸收、反射和透射作用，即圓二色性。由于介質(zhì)對于入射光的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬，因此全介質(zhì)手性結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到較高的圓二色性，其圓二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達(dá)到98.3%。優(yōu)選的，所述Z型通孔的縱向臂長為0.2μm，橫向臂長為0.5μm，縫寬為0.32μm，介質(zhì)層（頂層硅層）的厚度為0.25μm；所述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件中，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm。

本實(shí)用新型公開的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件具有很強(qiáng)的圓二色性，從而實(shí)現(xiàn)圓偏振態(tài)區(qū)分的功能，可以在圓偏振成像中應(yīng)用，其對應(yīng)的工作波段為通訊波段，并且所述工作波段可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取進(jìn)行調(diào)制。

本實(shí)用新型的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件制備方法有二，方法一：首先，使用化學(xué)氣相沉積法在基片上生長出一層半導(dǎo)體介質(zhì)層。然后涂上一層光刻膠，利用電子束曝光顯影技術(shù)刻出光刻膠結(jié)構(gòu)，再使用反應(yīng)離子束工藝刻蝕半導(dǎo)體介質(zhì)層，接著去除殘余光刻膠得到全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件。方法二：在采用化學(xué)氣相沉積法生長出半導(dǎo)體介質(zhì)層之后，直接采用聚焦離子束刻蝕工藝得到圓偏振起偏器。利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在絕緣體硅片的頂層硅層上制備Z型通孔，即得到全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件。采用電子束直寫曝光并顯影；用反應(yīng)離子束刻蝕光刻膠；利用丙酮去除殘余光刻膠。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):

1．本實(shí)用新型首次公開了全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件，具有很強(qiáng)的圓二色性，從而實(shí)現(xiàn)圓偏振態(tài)區(qū)分的功能，其圓二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達(dá)到98.3%，取得了意想不到的技術(shù)效果。

2．本實(shí)用新型所公開的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件結(jié)構(gòu)合理、易于制作，Z型通孔的尺寸參數(shù)可調(diào)，制備方法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制作工藝完全兼容；克服了現(xiàn)有技術(shù)需要繁瑣的制備過程才能得到檢偏器的缺陷。

3．本實(shí)用新型公開的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件原料來源廣、制備簡易，相比現(xiàn)有技術(shù)財(cái)力、時(shí)間成本更低；并且性能優(yōu)異，在光學(xué)傳感系統(tǒng)、先進(jìn)的納米光子器件以及集成光學(xué)系統(tǒng)中，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一偏振二色性器件和結(jié)構(gòu)單元示意圖；

其中：1、透明基底； 2、介質(zhì)層；3、Z型通孔；

圖2為實(shí)施例一的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件結(jié)構(gòu)單元主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例一的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件結(jié)構(gòu)單元俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例一中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；

圖5為實(shí)施例一中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；

圖6為實(shí)施例二中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；

圖7為實(shí)施例二中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；

圖8為實(shí)施例三中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；

圖9為實(shí)施例三中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；

圖10為實(shí)施例四中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；

圖11為實(shí)施例四中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例、附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述:

參見附圖1所示，本實(shí)用新型的全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件由結(jié)構(gòu)單元陣列組成；所述結(jié)構(gòu)單元包括透光基底1與覆蓋于基底上的介質(zhì)層2；所述介質(zhì)層設(shè)有Z型通孔3；多個(gè)結(jié)構(gòu)單元陣列組合即得到全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件。

實(shí)施例一

參見附圖2，為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件結(jié)構(gòu)單元主視結(jié)構(gòu)示意圖，其中半導(dǎo)體介質(zhì)層硅的厚度H為0.25μm；參見附圖3，為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件俯視結(jié)構(gòu)示意圖，其中刻蝕在介質(zhì)層中的Z型通孔的縱向臂長L1為0.2μm，橫向臂長L2為0.5μm，縫寬W為0.32μm，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm。

附圖4為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖5為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖4所示，在1.50μm -1.61μm波段結(jié)構(gòu)對左右旋圓偏振光的透過率高低存在差異。參見圖5所示，在1.50μm -1.61μm波段圓二色性平均在70%以上。

上述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的制作方法，包括如下步驟：

（1）使用化學(xué)氣相沉積法在二氧化硅基片上生長出一層硅半導(dǎo)體介質(zhì)層；

（2）涂上一層光刻膠，利用電子束曝光技術(shù)刻出“Z”光刻膠結(jié)構(gòu)；

（3）使用反應(yīng)離子束工藝刻蝕半導(dǎo)體介質(zhì)層；

（4）丙酮去除殘余光刻膠得到全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中基片為二氧化硅，半導(dǎo)體介質(zhì)層為硅；半導(dǎo)體介質(zhì)層的厚度為H=0.23μm，Z型通孔的縱向臂長L1為0.2μm，橫向臂長L2為0.5μm，縫寬為0.32μm，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm。在采用化學(xué)氣相沉積法生長出半導(dǎo)體介質(zhì)層之后，直接采用聚焦離子束刻蝕工藝得到圓偏振起偏器。

附圖6為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖7為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖6所示，在1.48μm -1.54μm波段結(jié)構(gòu)對左右旋圓偏振光的透過率高低存在較大差異。參見圖7所示，在1.48μm -1.54μm波段圓二色性平均在80%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達(dá)到98.3%。

實(shí)施例三

本實(shí)施例的制備工藝與實(shí)施例一一致，其中基片為二氧化硅，半導(dǎo)體介質(zhì)層為砷化鎵；Z型通孔的縱向臂長L1為0.2μm，橫向臂長L2為0.5μm，縫寬為0.32μm，介質(zhì)層的厚度H為：0.25μm。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm。

附圖8為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖9為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖8所示，在1.46μm -1.56μm波段結(jié)構(gòu)對左右旋圓偏振光的透過率存在較大差異。參見圖9所示，在1.46μm -1.56μm波段圓二色性平均在70%以上。

實(shí)施例四

本實(shí)施例制備選用商用的絕緣體硅片，頂層硅厚度為0.22μm，中間層二氧化硅厚度為3.0μm，底層硅度為675μm。Z型通孔刻蝕在頂層硅中，Z型通孔的縱向臂長L1為0.2μm，橫向臂長L2為0.5μm，縫寬為0.32μm，介質(zhì)層的厚度H為：0.22μm。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm。

附圖10為左右旋圓偏振光由硅基底入射通過上述全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖11為全介質(zhì)超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖10所示，在1.45μm -1.51μm波段結(jié)構(gòu)對左右旋圓偏振光的透過率存在較大差異。參見圖11所示，在1.45μm -1.51μm波段圓二色性平均在70%以上。