一種亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)元件制備技術(shù)，具體涉及一種亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在光的研宄與應(yīng)用領(lǐng)域，光的偏振態(tài)的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換控制是至關(guān)重要的。偏振是波片的屬性，傳統(tǒng)的光偏振態(tài)產(chǎn)生與控制器件大多都是利用雙折射晶體材料，當(dāng)光入射到雙折射晶體時(shí)，由于沿平行和垂直光軸的兩個(gè)正交方向具有不同的光學(xué)折射率，因此當(dāng)光透過雙折射晶體時(shí)透射光會(huì)在這兩個(gè)正交方向上產(chǎn)生位相差，從而改變光的偏振態(tài)。傳統(tǒng)晶體波片作為一種重要的光學(xué)器件，受到物理尺寸的限制，難以滿足微納光電子集成的要求。探索和研宄基于新原理的易于微納光電子集成的波片顯得十分迫切。
[0003]由于金屬與介質(zhì)的表面能夠產(chǎn)生表面等離子共振來控制光與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)前亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)越來越引起人們的廣泛關(guān)注。Kh00和Zhao提出了透射型等離子1/4波片的結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)方法，即在金屬薄膜上設(shè)計(jì)周期性的相垂直的矩形狹縫，通過控制矩形狹縫的長(zhǎng)度、寬度、厚度以排列方式，可實(shí)現(xiàn)透射光在沿兩狹縫方向上的振幅和位相可調(diào)，并且可以通過優(yōu)化解決方案來實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)波長(zhǎng)處兩正交方向上90度的位相差。2012年，Roberts等人提出了一種相似的結(jié)構(gòu)即利用帶有亞波長(zhǎng)十字形結(jié)構(gòu)圖案的金屬銀薄膜，通過調(diào)節(jié)周期性陣列的十字形的幾何尺寸，可以在近紅外特定波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)等離子1/4波片的功能。
[0004]除了透射型偏振態(tài)轉(zhuǎn)換器件之外，由于實(shí)際需要，反射型偏振器件也引起了許多研宄小組的重視。2012年，Pors等人設(shè)計(jì)了反射型等離子位相延遲器件，分別通過控制十字形、矩形結(jié)構(gòu)兩臂長(zhǎng)和邊長(zhǎng)，來控制相互垂直的電偶極子的散射共振，從而在特定波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)反射式位相延遲器的功能。2013年，王欽華等人利用亞波長(zhǎng)矩形環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了反射型四分之一波片的功能。該波片包括第一層金屬層、玻璃層、第二層金屬層。其中，第二層金屬層由若干周期性的二維矩形環(huán)陣列構(gòu)成，通過控制矩形環(huán)的臂長(zhǎng)和臂寬來控制反射場(chǎng)正交分量的相位差。2014年，E.A.Shaner等人設(shè)計(jì)并制作了可調(diào)諧多波段反射式半波片，該波片包括第一層金屬層、玻璃層、第二層金屬光柵層。通過調(diào)節(jié)入射角度可以在不同波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)半波片的功能。
[0005]綜合上述結(jié)構(gòu)，大多是二維結(jié)構(gòu)而且需要通過刻蝕金屬來制作。由于金屬的刻蝕難度大，因此上述結(jié)構(gòu)都存在工藝比較復(fù)雜，制作難度大的問題。為了克服現(xiàn)有技術(shù)難題，本發(fā)明提出一種亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片，該波片在不同度的波段實(shí)現(xiàn)了二分之一和四分之一波片的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片；其制作簡(jiǎn)單，在不同度的波段實(shí)現(xiàn)了二分之一和四分之一波片的功能，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。
[0007]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片，包括納米介質(zhì)光柵及位于所述納米介質(zhì)光柵上的金屬層；所述金屬層與所述納米介質(zhì)光柵之間無間隙；所述金屬層上表面設(shè)有類光柵結(jié)構(gòu)；所述納米介質(zhì)光柵的周期為80?350nm，占空比為0.3?0.8，厚度為50?200nm。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述金屬層連續(xù)。本發(fā)明的金屬層完全覆蓋納米介質(zhì)光柵的表面，并向上于其上表面形成類光柵結(jié)構(gòu)；納米介質(zhì)光柵的槽被金屬填充，與光柵表面的金屬層下表面連為一體，即金屬層與納米介質(zhì)光柵之間無間隙；納米介質(zhì)光柵的槽型與幾何尺寸直接決定金屬上表面光柵的槽型和幾何尺寸。
[0009]由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵。一般常用的光柵是在基片(介質(zhì))上刻出大量平行刻痕制成，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一凹槽，光柵的槽開口朝上。本發(fā)明中，金屬層上表面設(shè)有間隔排列的凹槽，形成類似于光柵的結(jié)構(gòu)，稱為類光柵結(jié)構(gòu)。
[0010]將刻線精度達(dá)到納米量級(jí)的光柵稱為納米光柵，與傳統(tǒng)光柵相比，其具有兩個(gè)重要的特點(diǎn):超精，刻線位置誤差達(dá)到納米量級(jí)；超細(xì)，刻線的寬度達(dá)到亞微米量級(jí)。本發(fā)明中，作為納米介質(zhì)光柵的介質(zhì)為Si02、MgF2或者PMMA。
[0011]等效均勻介質(zhì)理論是一種求解亞波長(zhǎng)光柵的衍射理論。亞波長(zhǎng)光柵是指波長(zhǎng)大于周期量級(jí)的光柵。等效均勻介質(zhì)理論將亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)等效為一種均勻介質(zhì)膜，這種膜的等效折射率隨光柵占空比的變化而變化，一般來說，TE偏振TM偏振的等效折射率不同，將光柵等效為各向異性的均勻介質(zhì)膜后，便可以采用薄膜光學(xué)中的方法求解光柵衍射。
[0012]現(xiàn)有介質(zhì)光柵一般是利用衍射分光，金屬光柵還具有偏振片的作用，即當(dāng)光波入射到亞波長(zhǎng)金屬光柵表面時(shí)，TE偏振被屏蔽，TM偏振通過。波片則需要入射光的TE和TM偏振波都通過并且強(qiáng)度相等，而相位差變化，從而實(shí)現(xiàn)入射光偏振態(tài)的改變。當(dāng)光波兩正交方向的電場(chǎng)分量的相位差為90度時(shí)即為四分之一波片，具有把線偏光轉(zhuǎn)化為圓偏振光的功能，當(dāng)光波兩正交方向的電場(chǎng)分量的相位差為180度時(shí)即為二分之一波片，具有轉(zhuǎn)動(dòng)線偏振光偏振角的作用。本發(fā)明首次利用類似光柵槽型的形狀，制備的產(chǎn)品具有反射式波片的性能，而且在不同度的波段實(shí)現(xiàn)了二分之一和四分之一波片的功能，同時(shí)解決了現(xiàn)有工藝存在的金屬槽型難以制作的問題，取得了意想不到的技術(shù)效果。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述金屬為金、銀、鋁、鎘等反射率高的材料；優(yōu)選為鋁。可以采用磁控濺射方式在所述納米介質(zhì)光柵上設(shè)置金屬層。納米介質(zhì)光柵的槽被金屬填充，凸起部分也被濺射同樣厚的金屬，從而形成類似光柵的槽型結(jié)構(gòu)。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述金屬層頂端與介質(zhì)光柵上表面的距離為30?50nm。如果最小距低于30nm，入射光會(huì)穿過金屬層進(jìn)而在與介質(zhì)接觸的表面激發(fā)表面等離子形成超透的現(xiàn)象，從而會(huì)大大降低波片的反射效率。然而如果金屬層太厚，在制作產(chǎn)品的過程中金屬表層的形貌會(huì)發(fā)上畸變，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)波片的性能降低，甚至無法使用。
[0015]所述納米介質(zhì)光柵的周期為80?350nm，占空比為0.3?0.8，厚度為50?200nm。符合波片使用的常規(guī)波長(zhǎng)。在波片的設(shè)計(jì)過程中，介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)的高度Hl和占空比W/P對(duì)波片的相位差起到主要作用，金屬層的厚度主要影響波片的反射效率，而介質(zhì)光柵的周期在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)波片的性能有影響，如果介質(zhì)光柵的周期超出合適范圍，最后所得的波片會(huì)產(chǎn)生光柵的衍射效應(yīng)，影響波片的使用效果；同時(shí)如果周期過小，則會(huì)大大增加波片制作的難度。
[0016]本發(fā)明還公開了上述亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片的制備方法，包括以下步驟:首先，在介質(zhì)材料上涂光刻膠；然后經(jīng)曝光顯影，再刻蝕光刻膠，接著去除殘余光刻膠得到納米介質(zhì)光柵；最后，在納米介質(zhì)光柵上設(shè)置金屬層，即得到亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片。本發(fā)明的波片是一維結(jié)構(gòu)而不是二維的圖形結(jié)構(gòu)，因此可采用傳統(tǒng)的工藝大面積制作，且不需要刻蝕金屬，制作簡(jiǎn)單，有較好的應(yīng)用前景。
[0017]本發(fā)明中，所述采用雙光束曝光顯影；用反應(yīng)離子束刻蝕光刻膠；采用磁控濺射方式在所述納米介質(zhì)光柵上設(shè)置金屬層。
[0018]根據(jù)需要的結(jié)構(gòu)尺寸，在光刻膠上顯影出圖案，用反應(yīng)離子束刻蝕未固化光刻膠以及介質(zhì)材料，在介質(zhì)表面形成光柵凹槽；再浸入丙酮溶液去除固化光刻膠得到納米介質(zhì)光柵；最后濺射金屬形成類金屬光柵槽型結(jié)構(gòu)層，從而得到亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片。
[0019]本發(fā)明的原理是:由于類光柵槽型具有各向異性的特性，平行柵線和垂直柵線的兩個(gè)方向上的折射率不相同，當(dāng)入射的線偏振光以偏振方向與柵線成角入射到金屬線柵上時(shí)，反射場(chǎng)沿兩正交方向分量的相位會(huì)有差異。當(dāng)兩者相位差滿足是180度的奇數(shù)倍，并且振幅Ex、Ey相等時(shí)，即為二分之一波片；當(dāng)兩者相位差滿足是90度的奇數(shù)倍，并且振幅Ex、Ey相等時(shí)，即為四分之一波片。本發(fā)明首次設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的制備工藝，得到了具有二分之一和四分之一波片的功能產(chǎn)品，取得了意想不到的效果。
[0020]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明首次公開了帶有類似光柵結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片，其在不同度的波段實(shí)現(xiàn)了二分之一和四分之一波片的功能，在線偏光的偏振入射角為45度時(shí)，平均反射率在80%以上。
[0021]2.本發(fā)明所公開的亞波長(zhǎng)反射式一維金屬波片結(jié)構(gòu)合理、易于制作，納米