亚波长三维螺旋圆偏振滤光片及其制作方法

摘要

本发明公开了一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片及其制作方法，该圆偏振滤光片的制作方法包括如下步骤：（1）在二氧化硅基片上旋涂光刻胶；（2）采用激光直写系统直接在光刻胶上写出三维螺旋纳米柱结构并进行显影；（3）通入氧气，采用反应离子束进行刻蚀，去除残余光刻胶；（4）在转移好的二氧化硅基片及三维螺旋纳米柱结构上采用磁控溅射方法镀上金属薄膜层。本发明能够实现对左右旋圆偏振光的区分，并具有结构简单，易于制作的特点。

权利要求

1.一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片，其特征在于：包括二氧化硅基片、设于二氧化硅基片上的三维螺旋纳米柱和覆于二氧化硅基片与三维螺旋纳米柱表面的金属薄膜层，所述三维螺旋纳米柱的半径为0.7～1.1um，高为1.8～3um，每个三维螺旋纳米柱的周期为1.4～

2.2um，所述金属薄膜层厚度为0.05～0.15um。

2.根据权利要求1所述的一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片，其特征在于：所述三维螺旋纳米柱的半径为0.95um，高为2um，每个三维螺旋纳米柱的周期为1.9um。

3.根据权利要求1所述的一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片，其特征在于：所述金属薄膜层厚度为0.1um。

4.一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在二氧化硅基片上旋涂光刻胶；

（2）采用激光直写系统直接在光刻胶上写出三维螺旋纳米柱结构并进行显影；

（3）通入氧气，采用反应离子束进行刻蚀，去除残余光刻胶；

（4）在转移好的二氧化硅基片及三维螺旋纳米柱结构上采用磁控溅射方法镀上金属薄膜层。

说明书

亚波长三维螺旋圆偏振滤光片及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种滤光片，具体涉及一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片及其制作方法。

背景技术

[0002] 在成像技术中，由于偏振成像技术可以在恶劣的环境下进行远距离的图像获取操作，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有绝对优势。因此，其具有非常广泛的应用，例如：可探测隐藏或伪装的目标；可实现海面以及水下目标的探测和识别；可实现烟雾气候环境条件下的导航；有效区分金属和绝缘体或是从引诱物中区分真实目标；可进行癌症、烧伤等医学诊断；可对物体特征（如指纹等）进行识别；可实现星载或机载遥感；还可与其它技术相结合，如多光谱偏振红外成像、超光谱偏振红外成像等。在偏振光成像技术中，圆偏振成像因其在大颗粒散射介质中的独特优势受到广泛重视。如在水底、烟雾、云层以及生物组织中圆偏振光的成像质量要优于线偏振光。2005年S. A. Kartazayeva等人把镀铬的2951USAF阶梯型样板插入溶有聚苯乙烯颗粒 （d=10.143um） 的去离子水中作为探测目标。分别用线偏振和圆偏振光作为激励源进行主动成像。结果证明圆偏振光在大颗粒混浊介质中成像效果比线偏光有优势。

[0003] 在光学成像技术中区分圆偏振左旋右旋极为重要。传统区分左右旋圆偏振光的方法一般是用四分之一波片把圆偏振转化成不同偏振方向的线偏振光，然后再根据所需要的偏振方向选用检偏器过滤。然而这种方法适用的波段受限于波片的带宽而且不利于元件的小型化与集成化。近年来，基于表面等离子波的亚波长结构器件与技术作为一个新兴的学科，在许多领域有着很多潜在的应用，因而越来越受到人们的关注。目前，许多课题组在利用纳米微结构区分左右旋圆偏振光方面做了大量的研究工作。2009年，Justyna K. Gansel 等人提出并制作了一种宽带的圆偏振滤光片，即在介质基底上周期性的放置螺旋上升金属金线，通过控制螺旋线的旋转方向，可实现对左旋和右旋圆偏振光的选择性透过。他们先在玻璃基底上沉积一层极薄（25nm）的铟锡氧化物（ITO）作为电化学沉积的阴极，然后涂上正性光刻胶，通过3D激光直写系统将螺旋空气线刻出，再放入含金的电解液中使用电化学沉积的方法将金填充到空隙中，最后除去光刻胶，得到在4um-8um圆二色性平均为0.7的宽带圆偏振片。这种结构工艺复杂，难于制作。2013年A. Alù等人，利用金属片空间旋转堆叠的结构，设计了可见光波段圆偏振起偏器。他们在玻璃基底上依次镀上Au、SiO2和光刻胶，再用电子束直接和反应离子束刻蚀在SiO2上得到55nm刻槽，再次使用电子束蒸发镀上5nmTi ，最后用光刻胶剥离工艺镀50nmAu在刻槽中得到金属片。通过这样的工艺多层重叠堆积，得到空间旋转堆积的金属片结构。在500nm-800mn实现了圆二色性平均为0.3圆偏振起偏器的功能。2014年，Wenshan Cai等人设计并制作了双层弧形金属(Ag)结构，并实验上在1.4um处得到最大圆二色性为0.35。2014年，E.-B. Kley等人，制作了2-D和3-D海星形金属（Au）结构，其中三维结构在660nm处得到0.4的圆二色性。综上所述，现有技术具有结构工艺复杂，制作难度大，或是区分度不高的问题。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的是提供一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片及其制作方法，能够实现对左右旋圆偏振光的区分，并具有结构简单，易于制作的特点。

[0005] 为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片，包括二氧化硅基片、设于二氧化硅基片上的三维螺旋纳米柱和覆于二氧化硅基片与三维螺旋纳米柱表面的金属薄膜层，所述三维螺旋纳米柱的半径为0.7～1.1um，高为1.8～3um，每个三维螺旋纳米柱的周期为1.4～2.2um，所述金属薄膜层厚度为0.05～0.15um。

[0006] 优选的技术方案，所述三维螺旋纳米柱的半径为0.95um，高为2um，每个三维螺旋纳米柱的周期为1.9um。

[0007] 优选的技术方案，所述金属薄膜层厚度为0.1um。

[0008] 上述技术方案中，所述金属薄膜层的材料可以采用金、银、铝、铜或氮化钛。

[0009] 一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片的制作方法，包括如下步骤：

[0010] （1）在二氧化硅基片上旋涂光刻胶；

[0011] （2）采用激光直写系统直接在光刻胶上写出三维螺旋纳米柱结构并进行显影；

[0012] （3）通入氧气，采用反应离子束进行刻蚀，去除残余光刻胶；

[0013] （4）在转移好的二氧化硅基片及三维螺旋纳米柱结构上采用磁控溅射方法镀上金属薄膜层。

[0014] 本发明的原理为：由于空间金属三维手性结构具有圆二色性的特点，为了实现对左右旋圆偏振光的区分，本发明设计出三维螺旋纳米柱结构并在结构表面镀上一层金属薄膜层，由于手性结构金属表面等离子作用，使得该结构具有很强的圆二色性。通过设计不同的螺旋结构可以实现对左右旋圆偏振光的选择透过作用。通过合理优化结构的周期、高度和金属层的厚度，以实现对左右旋圆偏振光的区分，其中，周期越大适应的波段范围越长，周期越小适应的波段范围越短，高度越高适应的波段范围越宽，但制作难度也越大。

[0015] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

[0016] 本发明设计出三维螺旋纳米柱结构并在结构表面镀上一层金属薄膜层，由于手性结构金属表面等离子作用，使得该结构具有很强的圆二色性，从而实现圆偏振滤波片的功能，其圆二色性在3um-5um波段平均在0.7以上，且具有结构简单，易于制作的优点。

附图说明

[0017] 图1是实施例一中本发明的三维螺旋纳米柱的一个基元的结构示意图。

[0018] 图2是实施例一中左右旋圆偏振光由基底入射通过本发明圆偏振滤光片的透过率曲线图。

[0019] 其中：1、二氧化硅基片；2、三维螺旋纳米柱；3、金属薄膜层。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

[0021] 实施例一：参见图1所示，一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片，包括二氧化硅基片1、设于二氧化硅基片上的三维螺旋纳米柱2和覆于二氧化硅基片与三维螺旋纳米柱表面的金属薄膜层3，所述三维螺旋纳米柱的半径为r=0.95um，高为H1=2um，每个三维螺旋纳米柱的周期为P=1.9um，所述金属薄膜层厚度为H2=0.1um。

[0022] 本实施例中，所述金属薄膜层的材料可以采用金、银、铝、铜或氮化钛。

[0023] 一种亚波长三维螺旋圆偏振滤光片的制作方法，包括如下步骤：

[0024] （1）在二氧化硅基片上旋涂光刻胶；

[0025] （2）采用激光直写系统直接在光刻胶上写出三维螺旋纳米柱结构并进行显影；

[0026] （3）通入氧气，采用反应离子束进行刻蚀，去除残余光刻胶；

[0027] （4）在转移好的二氧化硅基片及三维螺旋纳米柱结构上采用磁控溅射方法镀上金属薄膜层。

[0028] 参见图2所示，在3um-5um波段圆二色性平均在0.7以上。