一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法技术

一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法，涉及一种光学分束器，提供一种基于金属微纳米结构的光学分束器及制法。设有衬底，衬底上淀积金属薄膜，薄膜上设有至少２条宽度不同且平行的纳米缝隙，纳米缝隙正上方设金属柱，金属柱与金属薄膜间设支撑件。制造时在衬底上制备金属薄膜；用聚焦离子束刻蚀加工法，或在薄膜上涂电子束曝光胶后曝光，显影去掉被曝光的胶，以曝光胶为掩膜版制成纳米缝隙；在纳米缝隙上方制备金属柱：将金属柱制作为悬梁，两端设支撑件，或设在薄膜上方淀积作为支撑物的材料，在此材料上用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成槽，在槽中淀积金属柱所用的材料，将支撑件材料腐蚀掉；制备支撑件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学分束器，尤其是涉及。
技术介绍
长期以来人们致力于将光学系统集成化和微型化，并使其具有更强大的信息处理能力和容量。无论是对于平面光路为特征的光电集成系统还是以立体式微光学元件为特征的微光学系统，或者是这两种系统的结合，集成器件间光波能量的耦合都是一个很重要的课题。而要实现高效率的耦合就需要各种可以匹配的光束形状转换器件。随着集成光学系统的进一步微型化，对于传统的基于绝缘介质的微光学器件(如各种微透镜)，缩小其尺寸总是受到只具有寻常介电常数材料的限制以及衍射效应和微光腔谐振效应的影响(参见文献1.J.B.Pendry，Phys.Rev.Lett.2000，853966；2.V.B.Braginsky and V.S.Ilchenko，Sov.Phys.Dokl.1987，3236；3.J.Kofler and N.Arnold，Phys.Rev.B 2006，73235401)。为此，Sun(本申请专利技术人)等近来提出了一种新型的基于金属微纳米结构的光学透镜(参见文献1.Z.Sun，and H.K.Kim，Appl.Phys.Lett.2004，85642；2.H.K.Kim，Z.Sun and C.C.Capelli，Patent publication No.#US2005/0161589A1，filed on Dec.2，2004.)以实现如聚焦和准直的光束成形功能，此类器件的横向尺寸可小于10微米。目前利用传统绝缘介质制作的微光学元件，其横向尺寸至少都在几十微米以上(参见文献H.P.赫尔齐克主编，周海宪等译，微光学元件、系统和应用，北京国防工业出版社，2002)。本专利技术提出的是基于金属微纳米结构的新型光学透镜，它可以实现另外一种功能—光波分束。至今未见有任何其它透射式光学器件可以使其横向尺寸小于10微米，而且可以实现光波的分束。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的基于绝缘介质材料的微光学元器件尺寸至少都在几十微米，要缩小其尺寸总是受到只具有寻常介电常数材料的限制以及衍射效应和微光腔谐振效应的影响分束功能的问题，提供。本专利技术的技术方案是通过在金属薄膜上形成若干宽度不同的纳米缝隙结构来实现透射光束转向和聚焦的功能，并在上述纳米缝隙结构的近距范围内引入适当的微纳米金属结构(柱形或三角形截面等)，以便实现透射光的分束效应，也可以在一定条件下将透射光高效率地耦合到金属薄膜表面形成表面等离子体波。本专利技术设有衬底，在衬底上淀积有一层金属薄膜，在金属薄膜上设有至少2条宽度不同且相互平行的纳米缝隙，在纳米缝隙的正上方设有金属柱，金属柱与金属薄膜之间设有支撑件。所述的衬底为绝缘介质衬底或半导体材料衬底，最好选自光学玻璃、石英、对光波低吸收的半导体材料等，所述的对光波低吸收的半导体材料是指要求光波的光子能量小于半导体材料的禁带宽度的半导体材料。衬底材料的形状为薄膜或薄板，根据应用系统具体情况确定。衬底其大小应大于光学分束器的平面尺寸大小，其厚度可以小于半波长，或远大于波长(如100微米)。如果厚度只是波长的若干倍，衬底内光波的高次干涉将影响器件的作用。所述的纳米缝隙的宽度为1～200纳米，纳米缝隙之间的距离、金属薄膜与金属柱之间的距离、金属柱的直径在亚微米至几个微米之间。纳米缝隙的宽度的具体数值需要根据具体情况(如对缝隙中有效折射率大小及相位延迟的要求)来决定。所述的金属薄膜和金属柱采用良导体，如金、银、铜和铝等，选用的金属材料一方面满足尽可能小的对光的吸收率，另一方面该金属的体等离子体频率(body plasmon frequency)须小于所适用的光波频率。金属薄膜的厚度可根据具体要求设计，一般考虑到不同纳米缝隙对光波延迟相位调节的有效性和减低在实际工艺制造上困难，对于可见光和近红外光，金属薄膜厚度可在200纳米至波长长度之间。所述的金属柱材料的选择及要求与金属薄膜的材料选择相同，两者可以相同，也可以不同。金属柱的形状可为半圆柱形、圆柱形或三角棱柱形等。为工艺实现简单，最好采用半圆柱形或三角棱柱形。若为圆柱形或半圆柱形，其横截面直径大小可选择在半波长至一倍波长的长度之间。若为三角棱柱形，其横截面边长大小在半波长至一倍波长的长度之间。金属柱的方向与金属薄膜中纳米缝隙的方向平行，且对称地位于正上方。金属柱与金属薄膜之间的距离为0.3～0.8倍波长长度。本专利技术所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器的制造方法其步骤为1)在透明衬底上制备金属薄膜；2)在金属薄膜上制备纳米缝隙采用聚焦离子束刻蚀加工方法，或在金属薄膜上涂一层电子束曝光胶，然后用电子束曝光，显影去掉被曝光的胶，并以剩下的电子束曝光胶为掩膜版用反应离子刻蚀方法；3)在纳米缝隙上方制备金属柱可采用将截面为半圆形或三角形的金属柱制作为一个平行于纳米缝隙的金属薄膜上方的悬梁，两端用台面结构作为支撑件，或设在具有纳米缝隙结构金属薄膜的上方淀积一层用于作为支撑物的材料，再在作为支撑物的材料上用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成具有半圆形或三角形截面的槽，然后在槽中淀积所选的金属柱所用的材料，最后利用紫外光光刻或电子束光刻的办法将中间器件作用区域的支撑件材料用化学方法腐蚀掉；4)制备支撑件。在本专利技术的作用过程中，当光束照射到这种具有缝隙结构的金属透镜一侧时，通过与金属微纳米结构的相互作用，光波被耦合成等离子体波，并通过一种漏斗式的收集效应将照射光的大部分能量通过等离子体波耦合到金属纳米缝隙中。在金属纳米缝隙中，光波传播的有效折射率依赖于缝隙宽度(缝隙越窄，有效折射率越大)。于是可以通过控制缝隙宽度来控制高度局域化的光(或等离子体波)在穿过相同厚度金属薄膜上的不同缝隙时的相位延迟。在缝隙出口，光波(或等离子体波)又被耦合成透镜另一侧介质空间内的光波。对于这种纳米缝隙结构，从缝隙中等离子体表面波转换为透射面自由空间的光波相当于是在缝隙出口处的偶极子所发射的柱面波。于是从不同缝隙发射出的具有不同相位差的柱面波相互干涉形成了不同的光束形状。这里，金属薄膜上不同缝隙的间距须在亚波长范围。金属缝隙的宽度在远小于波长的纳米范围(～几十纳米)时才有显著的有效折射率调制效应。当缝隙宽度从一边起逐渐增大(或减小)时，出现光束转向效应，光束转向缝隙窄的一侧。当缝隙宽度从一边起对称减小再增大时(宽—窄—宽)，出现光束的聚焦。当在这样一个具有聚焦功能的透镜的另一侧约半波长处放一金属柱(具有圆或三角形侧面)时，一方面聚焦的能量被耦合在金属柱底端形成局域化的等离子体，另一方面由于金属柱尺寸还是较大(远大于金属的表面透射深度～20纳米)于是沿柱表面也有传播性的表面等离子体波被耦合。同时，在具有纳米缝隙的金属透镜的表面也将有表面等离子体波形成。由于金属柱表面与透镜表面较近(亚波长范围)，它们的表面等离子体可以互相耦合，而在它们之间形成一个有效的谐振腔。在两端，金属柱表面与透镜表面的距离逐渐增大，于是在约一倍波长处可以形成自由空间的驻波(区别于束缚于金属表面周围的等离子体波)。在尺寸为约一倍波长的出口处，狭窄缝隙的光的衍射可产生具有高度方向性的散射光束，此即被分束的光。本专利技术的横向尺寸在1～10微米之间，而目前的基于介质材料的微光学元件尺寸至少都在几十微米，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于设有衬底，在衬底上淀积有一层金属薄膜，在金属薄膜上设有至少２条宽度不同且相互平行的纳米缝隙，在纳米缝隙的正上方设有金属柱，金属柱与金属薄膜之间设有支撑件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志军，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]