基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器制造技术

本发明专利技术公开了基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，包括基底、过渡层以及像素层；像素层由超像素结构单元阵列组成；超像素结构单元包括0°趋向的双层纳米光栅、45°趋向的双层纳米光栅、135°趋向的双层纳米光栅以及90°趋向的双层纳米光栅；双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；介质光栅的周期为260nm‑300nm，占空比为0.5‑0.7，厚度为90nm‑110nm；金属层的厚度为70nm‑90nm；在双层金属纳米光栅像素块的基底表面引入一层低折射率的过渡层，过渡层的引入不仅提高了器件的效果而且避免了对金属的刻蚀，使得制作工艺更为方便快捷。

【技术实现步骤摘要】
基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器本专利技术属于专利技术名称为基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器、申请号为201610810350.3、申请日为2016年9月8日专利技术申请的分案申请，属于制备方法技术部分。
本专利技术涉及光学元件制备技术，具体涉及一种基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振的制备方法。
技术介绍
近年来，随着偏振技术的不断发展，其在目标识别与探测方面发挥着越来越重要的作用。由菲涅尔公式可知，当物体在发射、散射、反射以及透射电磁波的过程中，会产生偏振信息，并且这些偏振信息与物体本身特性息息相关。不同物体甚至处于不同环境下的相同物体的偏振信息都会有所不同。偏振探测可以提供比传统强度探测和光谱探测更多的关于目标的信息。偏振成像技术成为传统强度成像和光谱成像之外的第三种成像技术，逐渐引起各国研究者越来越多的关注。偏振成像技术是将偏振探测技术与成像技术相结合的产物，其主要是通过合适的偏振监测设备获取测试目标的不同偏振分量，成像系统利用这些带有部分或者全部偏振信息的测试光来成像，从而获得了测试目标的偏振图像。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以用来获取被测目标的众多特征信息，包括形状、材料、粗糙度以及水分含量等信息。近几十年来，偏振成像技术已经成为国内外众多高校和科研机构的研究对象，在天文探测、目标识别、医疗、军事、测量等众多方面具有重要的作用，发挥着巨大的潜力。例如：在天文领域，偏振成像探测最早应用于行星表面土壤、大气探测和恒星、行星以及星云状态等的探测。在许多天文观测领域，利用偏振测量或者偏振成像进行辅助测量都是非常理想的选择。一般来说，自然环境与人造物体由于各自特性的不同其偏振信息区别较大，通过偏振成像技术可以非常容易的区分人造物体与自然背景，并且偏振信息图像的对比度大于其他成像方式所获得的图像，在目标检测或增强方面具有非常大的优势。在医疗领域，可以通过偏振图像进行无接触、无痛和无损的病变检测，尤其适用于皮肤和眼部的检测。由于偏振成像探测在目标识别方面具有的众多优势，其在军事方面也具有非常重要的应用价值，在区分军事伪装物与自然环境的优势使偏振成像技术成为非常有效的军事识别手段。传统的偏振成像技术一般是通过高速旋转偏振片，来获得物体不同偏振方向的信息，但是这种方法只能适用于静态物体或者低速移动物体的探测，无法实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并且这种方法对成像系统的稳定性要求比较高。像素式多取向微型偏振器阵列的出现解决了这个问题，它通过将不用取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。应用于偏振器件最多的就是亚波长金属光栅。所谓亚波长金属光栅是指金属光栅的周期远小于入射光波长。此时，亚波长金属光栅呈现出非常强烈的偏振敏感性，因而利用亚波长金属光栅实现线偏振信息的获取也越来越被人们所重视。近年来亚波长金属光栅在制备工艺、光栅性能以及器件应用等方面都有了长足的发展和进步。在制作工艺方面，全息曝光、电子束直写、纳米压印、激光直写、磁控溅射、离子束刻蚀、热蒸镀、电铸等技术得到不断发展。随着亚波长金属光栅工艺的不断进步，性能也在不断提高，因而基于亚波长金属光栅的像素式微型线偏振器阵列的发展也越来越受到关注。1998年，美国阿拉巴马汉茨维尔大学的G.P.Nordin等人设计并制备了3~5μm波段的用于偏振成像的微型偏振器阵列。实验使用分步的方法，利用双光束曝光技术进行制备。实验制备样品基底材料为硅，阵列包含三个不同方向的光栅，阵列像素大小为16×16μm，每个像素都由周期为475nm的钼金属光栅组成。并将该偏振阵列与红外相机结合，得到了测量Stokes矢量前三个分量的偏振图像，实现了初步的偏振成像。但是由于采用分步式的双光束曝光技术进行制备实验样品，像素之间的间距较大。制备过程复杂费时，需要刻蚀金属，成本高成功率低。2008年，美国代顿大学Z.Wu等人设计并制备了用于红外偏振成像的金属线栅微型偏振器。此偏振器应用于1.6~5μm波段，并且设计者在硅基底与金属光栅直接加入了一层二氧化硅层以提高偏振器在短波波段的性能。Z.Wu等人利用深紫外投影曝光技术制备了400nm周期，占空比为0.7，厚度为140nm的金属光栅。利用可调节的红外激光器进行检测，TM光的透过率大于70%，在中红外波段消光比大于104，在1.5μm以上波段消光比大于102。现有制备方法需要先镀一层二氧化硅在镀一层金属，还需要对金属进行刻蚀并保证将金属完全刻透（光栅槽中暴露出二氧化硅），对工艺精细度要求极高且耗时耗力，成功率极低不宜投入生产，样品的透过率与消光比均比像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的性能差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于表面等离子基元的像素式多取向双层金属纳米光栅线偏振器的设计与制作方法，能够实现实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并具有成像系统稳定性高，波段较宽，结构简单，制作过程中只需刻蚀过渡层而无需刻蚀金属，易于制作的特点。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器，包括基底、过渡层以及像素层；所述像素层由超像素结构单元阵列组成；所述超像素结构单元包括0°趋向的双层纳米光栅、45°趋向的双层纳米光栅、135°趋向的双层纳米光栅以及90°趋向的双层纳米光栅；所述双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；所述介质光栅的周期为260nm-300nm，占空比为0.5-0.7，厚度为90nm-110nm；所述金属层的厚度为70nm-90nm。上述技术方案中，双层纳米光栅是介质与金属复合而成的双层光栅且双层光栅结构覆盖于过渡层之上，过渡层位于基底上；基底的厚度为0.5-1mm。基体为半导体基底，厚度约0.5~1mm；过渡层为二氧化硅过渡层、氟化镁过渡层或者PMMA过渡层；过渡层光栅为二氧化硅介质光栅、氟化镁介质光栅或者PMMA介质光栅；金属为铝、银或者金。优选的，所述基体为硅基底；所述过渡层为二氧化硅过渡层；所述介质光栅为二氧化硅介质光栅；所述金属为铝；可以有效提高制作效率、降低制作成本。将硅基复合双层纳米光栅结构以像素式多取向的形式进行阵列化集成，将不同取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。阵列集成实现从而能够同时获取物体不同方向的偏振信息，实现对物体的实时线偏振成像。本专利技术选择硅作为基底材料，在红外波段具有良好的透光性能以及物理、化学的稳定性。硅是电子信息材料中最具基础性的半导体类材料，微纳加工工艺相对比较成熟；而且硅是一种化学惰性材料，硬度高，不溶于水，并且其在1~7um波段具有很好的透光性能，表面反射率较高，导致整体透光率较低；结合本专利技术的双层光栅结构设计和工作波段，以硅为基底的产品具有比较大的折射率，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，基底清洗后制备过渡层；然后在过渡层表面利用光刻显影技术制备介质光栅；最后利用电子束蒸发镀膜技术制备金属层，得到所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器；所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器包括基底、过渡层以及像素层；所述像素层由超像素结构单元阵列组成；所述超像素结构单元包括0°取向的双层纳米光栅、45°取向的双层纳米光栅、135°取向的双层纳米光栅以及90°取向的双层纳米光栅；所述双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；所述介质光栅的周期为260nm‑300nm，占空比为0.5‑0.7，厚度为90nm‑110nm；所述金属层的厚度为70nm‑90nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，基底清洗后制备过渡层；然后在过渡层表面利用光刻显影技术制备介质光栅；最后利用电子束蒸发镀膜技术制备金属层，得到所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器；所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器包括基底、过渡层以及像素层；所述像素层由超像素结构单元阵列组成；所述超像素结构单元包括0°取向的双层纳米光栅、45°取向的双层纳米光栅、135°取向的双层纳米光栅以及90°取向的双层纳米光栅；所述双层纳米光栅由介质光栅以及位于介质光栅的凹槽以及凸起表面的金属层组成；所述介质光栅的周期为260nm-300nm，占空比为0.5-0.7，厚度为90nm-110nm；所述金属层的厚度为70nm-90nm。2.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双层纳米光栅线偏振器的制备方法，其特征在于：所述基底的厚度为0.5-1mm。3.根据权利要求1所述基于等离子基元的像素式多取向双...

【专利技术属性】
技术研发人员：林雨，王钦华，胡敬佩，徐铖，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32