一种三维集成超表面器件、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件，所述三维集成超表面器件包括自上而下依次设置的衬底、金属反射层、双曲超表面层、透明隔离层和滤波超表面层。还提供了该三维集成超表面器件的制备方法和应用。本发明专利技术通过将可以实现相位调控的双曲超表面和不同波长的滤波器超表面集成在一起，实现交叉极化光的空间和波长上的分离。整个器件制备具有设计灵活、加工方法多样化的特点。器件性能具有多功能性、宽波段的优势。对于三维集成超表面器件的发展具有重要意义。

A 3D integrated super surface device, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三维集成超表面器件、其制备方法及应用
本专利技术属于三维集成超表面器件领域，具体涉及一种实现交叉极化光的空间和波长分离的三维集成超表面器件及其制备方法和应用。
技术介绍
超表面是指由周期性或非周期性的亚波长单元结构排布而成的人工电磁材料。目前，超表面得到了极大的发展和研究。大量研究表明，超表面可以实现对电磁波的偏振、振幅、相位以及传播模式等性质的有效调控。同时，超表面具有体积小、易于加工的特点，在微纳米尺度上可实现传统光学元件的功能，如全息成像、透镜、结构色、四分之一波片等。然而，这些超表面仅能实现一项特定的功能，无法实现对电磁波的多功能调控。近几年，三维集成超表面器件引起了研究人员的关注。现有的三维集成超表面器件的结构主要有两种，一种是在衬底两侧分别制备两种功能的超表面，另一种是多个超表面在垂直方向进行堆叠。三维集成的超表面可以实现多个波长或者多个功能的光学器件，增加设计自由度，提高光学器件的集成度，实现紧凑的多功能器件。但是，现在的三维集成超表面器件的研究比较少，实现的多功能器件有限，无法实现电磁波在空间和波长上的分离。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是针对上述研究技术中存在的缺陷，提供一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件。在阐述本专利技术的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“偏振转化”是指：光的不同偏振状态之间实现转换。术语“交叉极化光”是指：偏振方向与入射光的偏振方向垂直的光。术语“分束”是指：将一束光分解成两束或者多束光。术语“超表面”是指：超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。术语“PB相位”是指：电磁波偏振状态变化过程中伴随的一个额外相位，即交叉极化光具有的额外相位，又称Pancharatnam-Berry相位。PB相位和纳米棒的旋转角度满足2倍的线性关系。术语“双曲超表面”是指：色散特性为双曲线的超表面。术语“滤波超表面”是指：可以进行波长选择的超表面，它可以让特定波长的光通过，而除此波长以外的光被拒绝通过。术语“PMMA”是指：聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，是高度透明的热塑性材料。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种三维集成超表面器件，所述三维集成超表面器件包括自上而下依次设置：衬底；金属反射层；双曲超表面层；透明隔离层；和滤波超表面层；其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述双曲超表面层通过相位排布实现宽波段的圆偏振交叉极化光的异常反射，所述滤波超表面通过不同直径的金属圆孔结构实现交叉极化的异常反射光的分束。其中，所述相位调控的双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，纳米棒的方向按照一定的规律排布；所述滤波超表面为金属薄膜上周期性的孔阵列结构且孔阵列具有不同的直径尺寸。根据本专利技术第一方面的三维集成超表面器件，其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述纳米棒结构的主轴方向按照一定的梯度旋转0～180°的角度排列；优选地，所述纳米棒结构的主轴方向旋转梯度为30°；即利用6个纳米棒结构依次旋转30°、60°、90°、120°、150°、180°实现0～180°的角度变化，从而实现0～2π的PB相位变化；更优选地，所述双曲超表面层具有2～5层金属-介质堆叠，优选为3层。根据本专利技术第一方面的三维集成超表面器件，其中，所述滤波超表面层为具有周期性的孔阵列结构的金属薄膜；优选地，孔阵列具有不同的直径尺寸的纳米圆孔结构；更优选地，所述圆孔的孔径为80～150nm。根据本专利技术第一方面的三维集成超表面器件，其中：所述衬底材料选自以下一种或多种：石英、蓝宝石、硅；所述金属反射薄膜层材料选自以下一种或多种：金、银、铝，优选为金；所述双曲超材料层中的金属材料选自以下一种或多种：铝、金、银、掺铝氧化锌，优选为银；所述双曲超材料层中的介质材料选自以下一种或多种：氧化锌、三氧化二铝、二氧化钛、二氧化硅，优选为氧化锌；所述透明隔离层材料选自以下一种或多种：二氧化硅、PMMA、氧化锌、二氧化钛；所述滤波超表面的材料选自以下一种或多种：金、银、铝；本专利技术的第二方面提供了第一方面所述的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)在洁净的衬底上沉积金属薄膜作为光反射层；(2)在步骤(1)所得的金属薄膜上依次沉积多层的介质和金属薄膜；(3)在步骤(2)所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上旋涂光刻胶，进行曝光，制备设计好的空间变化的纳米棒阵列图案；(4)在步骤(3)所得结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱；(5)将步骤(4)所得结构上进行刻蚀，得到所述实现相位调控的双曲超表面。(6)在步骤(5)所得结构上沉积透明隔离层；(7)在步骤(6)所得结构上沉积金属薄膜；(8)在步骤(7)所得的金属薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光得到设计好的周期性图案；(9)在步骤(8)所得的光刻胶图案上进行刻蚀，得到所述的滤波超表面；和(10)在步骤(9)所得结构上去除残余的光刻胶，得到最终的三维集成超表面器件。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中：步骤(1)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为电子束蒸发；步骤(2)中，所述沉积方法为物理沉积和/或化学沉积；优选地，金属材料采用电子束蒸发法，介质材料采用原子层沉积法；和/或步骤(3)中，所述曝光方法选自以下一种或多种：电子束曝光、紫外曝光、激光直写、纳米压印，优选为电子束曝光。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中：步骤(4)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为电子束蒸发；步骤(5)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀；优选为离子束刻蚀；和/或步骤(6)中，所述沉积方法选自以下一种或多种：物理沉积、化学沉积、旋涂；优选为旋涂。根据本专利技术第二方面的制备方法，其中：步骤(7)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为磁控溅射法；步骤(8)中，所述曝光方法选自以下一种或多种：电子束曝光、紫外曝光、激光直写、纳米压印，优选为电子束曝光；步骤(9)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀；优选为离子束刻蚀方法；和/或步骤(10)中，所述去残胶方法选自以下一种或多种：丙酮溶解法、微波等离子体去胶、反应离子束刻蚀；优选为微波等离子体去胶。本专利技术的第三方面提供了一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面设备，所述设备包括如第一方面所述的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件。本专利技术的第四方面提供了第一方面所述的实现交叉极化光的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维集成超表面器件，其特征在于，所述三维集成超表面器件包括自上而下依次设置：/n衬底；/n金属反射层；/n双曲超表面层；/n透明隔离层；和/n滤波超表面层；/n其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述双曲超表面层通过相位排布实现宽波段的圆偏振交叉极化光的异常反射，所述滤波超表面通过不同直径的金属圆孔结构实现交叉极化的异常反射光的分束。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维集成超表面器件，其特征在于，所述三维集成超表面器件包括自上而下依次设置：
衬底；
金属反射层；
双曲超表面层；
透明隔离层；和
滤波超表面层；
其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述双曲超表面层通过相位排布实现宽波段的圆偏振交叉极化光的异常反射，所述滤波超表面通过不同直径的金属圆孔结构实现交叉极化的异常反射光的分束。


2.根据权利要求1所述的三维集成超表面器件，其特征在于，所述双曲超表面层的纳米棒结构的主轴方向按照一定的梯度旋转0～180°的角度排列；
优选地，所述纳米棒结构的主轴方向旋转梯度为30°；
更优选地，所述双曲超表面层具有2～5层金属-介质堆叠，优选为3层。


3.根据权利要求1或2所述的三维集成超表面器件，其特征在于，所述滤波超表面层为具有周期性的孔阵列结构的金属薄膜；
优选地，孔阵列具有不同的直径尺寸的纳米圆孔结构；
更优选地，所述圆孔的孔径为80～150nm。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维集成超表面器件，其特征在于：
所述衬底材料选自以下一种或多种：石英、硅片、蓝宝石；
所述金属反射层材料选自以下一种或多种：金、银、铝；
所述双曲超表面中的介质材料选自以下一种或多种：氧化锌、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝，优选为氧化锌；
所述双曲超表面中的金属材料选自以下一种或多种：金、银、铝、掺铝氧化锌，优选为银；
所述透明隔离层材料选自以下一种或多种：PMMA，氧化锌、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝，优选为PMMA；和/或
所述滤波超表面材料选自以下一种或多种：金、银、铝，优选为金。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维集成超表面器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在洁净的衬底上沉积金属薄膜作为光反射层；
(2)在步骤(1)所得的金属薄膜上依次沉积多层的介质和金属薄膜；
(3)在步骤(2)所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上旋涂光刻胶，进行曝光，制备设计好的空间变化的纳米棒阵列图案；
(4)在步骤(3)所得结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱；
(5)将步骤(4)所得结构上进行刻蚀，...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾长志，胡莎，潘如豪，全保刚，李俊杰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11