專利名稱:基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于偏振濾波器技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,利用激光干涉光刻方法制作大面積的異質(zhì)結(jié)納米光柵,把金屬納米顆粒溶膠旋涂在納米光柵上,退火后即可得到金屬結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)光柵,該器件具有偏振濾波功能。
背景技術(shù):
具有偏振濾波功能的金屬納米結(jié)構(gòu)是國際上廣泛關(guān)注的研究課題,在實(shí)際應(yīng)用和基礎(chǔ)研究中都具有重要意義。金屬納米光柵結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)制作方法有:電子束光刻、反應(yīng)離子束刻蝕、納米壓印技術(shù)等,但這些方法工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、效率低,不利于偏振濾波器件的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)。而干涉光刻具有工藝簡單,能夠低成本地制作大面積無缺陷的各種納米結(jié)構(gòu)。將干涉光刻引入異質(zhì)結(jié)光柵結(jié)構(gòu)的偏振濾波器件的制作具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,利用激光干涉光刻制作異質(zhì)結(jié)光柵結(jié)構(gòu),再將金屬納米顆粒溶膠旋涂在異質(zhì)結(jié)光柵結(jié)構(gòu)上,退火后得到高效率的偏振濾波器。一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,其特征在于,在基底上的一維激光干涉圖案由相鄰的兩種不同周期的金屬激光干涉圖案連接組成(見圖3),兩種激光干涉圖案的條紋方向一致,兩種不同周期的激光干涉圖案的周期之比(A2Z^A1)范圍為0.6-1.5,入射光所在的激光干涉圖案的周期A1范圍為200nm-2000nm。激光干涉圖案的薄膜厚度優(yōu)選為50_500nm。所述的金屬優(yōu)選金、銀或鉬。
本發(fā)明中一維異質(zhì)結(jié)光柵金屬結(jié)構(gòu)制備技術(shù)具體方案如下:I)以500-4000rpm的轉(zhuǎn)速,以轉(zhuǎn)速為2000rpm時(shí)為最佳,將記錄介質(zhì)溶液旋涂在基底上,獲得厚度均勻的記錄介質(zhì)薄膜,薄膜的厚度為50-500nm ;2)將兩種不同周期的激光干涉圖案分別與連續(xù)記錄介質(zhì)薄膜的兩個(gè)相鄰區(qū)域作用,并經(jīng)過顯影、定影處理,形成相鄰的兩種不同周期的金屬激光干涉圖案,即記錄介質(zhì)異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)樣品,激光干涉光刻技術(shù)制備光柵結(jié)構(gòu)的光路示意圖見圖1,制備異質(zhì)結(jié)光柵結(jié)構(gòu)的步驟見圖2;3)將直徑為2-10nm的金屬納米顆粒溶解于有機(jī)溶劑中,制成40-100mg/ml的金屬納米顆粒溶膠;4)將步驟3)中制備的金屬納米顆粒溶膠,以1500-4000rpm的轉(zhuǎn)速,旋涂在步驟
2)中制備的一維異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)上;5)將步驟4)中制備的樣品在200-300°C的加熱板上或200-500°C電爐中加熱20-90S,得到基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,該器件的照片和原子力顯微鏡(AFM)圖像見圖3。上述記錄介質(zhì)為光刻膠;基底選自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片等;干涉光刻所用激光波長小于等于500nm ;金屬納米顆粒為金、銀或鉬納米顆粒。所述的有機(jī)溶劑為二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、環(huán)己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一種。本發(fā)明的優(yōu)勢特點(diǎn):I)本發(fā)明制備的濾波器件帶寬隨入射光角度和異質(zhì)結(jié)的周期比可連續(xù)調(diào)諧,濾波帶寬可以接近0,見圖4(理論結(jié)果)和圖5(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。圖4中帶寬公式為Λλ=π η(λ2,λ 4)-max (λ1; λ 3),由光柵衍射反常條件得:對(duì)于周期為A1的光柵來說λ !=A iSin Θ + A j ; λ 2=A jsin Θ +ns Λ 丨;對(duì)于周期為 Λ2 的光柵來說 λ 3= Λ2sin Θ + A2 ;A4=A2Sin Θ +IisA2 ; Θ為入射角;ns為基底折射率(此處取玻璃折射率1.5)。2)本發(fā)明方法無需使用昂貴的設(shè)備,成本低,可制備大面積一維異質(zhì)結(jié)金屬光柵結(jié)構(gòu),重復(fù)性好,制備效率高。3)本發(fā)明所制備的異質(zhì)結(jié)光柵的兩個(gè)周期均可控。通過改變干涉光路的干涉角α工和α 2,便可制備周期為200nm-2000nm的記錄介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)。
圖1、激光干涉光刻技術(shù)制備分布反饋式結(jié)構(gòu)的光路示意圖其中,I為紫外激光器;2為擴(kuò)束用透鏡組;3為介質(zhì)膜全反鏡;4為分束鏡;5為待加工的樣品。圖2、制備異質(zhì)結(jié)金光柵結(jié)構(gòu)的步驟;圖3、所獲得的基 于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器的照片和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像圖4、基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器的濾波帶寬隨入射角和異質(zhì)結(jié)周期比的調(diào)諧規(guī)律(模擬結(jié)果)圖5、所獲得的基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器的濾波曲線;(a)濾波帶寬隨入射角調(diào)諧;(b)濾波帶寬隨異質(zhì)結(jié)周期比調(diào)諧圖6、所獲得的基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器的偏振特性;其中α為偏振片的偏振方向與光柵柵線方向的夾角。圖7、異質(zhì)結(jié)光柵濾波原理及實(shí)驗(yàn)光斑照片。其中①為反射光、②為經(jīng)過單一周期光柵的衍射光、③為與經(jīng)過兩個(gè)周期光柵衍射光(即異質(zhì)結(jié)光柵濾波后得到的光束),Q1為入射角或單一周期光柵的二階衍射角,θ2為經(jīng)過兩個(gè)周期光柵的二階衍射角,上方插圖為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)光斑照片。對(duì)于單一周期光柵(A1),由光柵衍射反常條件得 λ J=A jsin θ J+A J ; λ ^A1Sin Θ ^nsA 丨,故其濾波帶寬為 Δ λ = λ 2_ λ ^(η,-Ι) A 1;為恒定值;對(duì)于異質(zhì)結(jié)光柵(八1和Λ2),由光柵衍射反常條件得X1=A1SinQ^A1;λ 2= A jsin Θ ^ns A1 ; λ 3= A 2sin θ 2+ A 2 ; λ 4= A 2sin Θ 2+ns A 2 ;故其濾波帶寬為Δ λ=η η(λ2,λ 4)-max( λ 1; λ 3),可隨入射角和周期比變化。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:基于一維異質(zhì)結(jié)光柵金屬結(jié)構(gòu)的偏振濾波器的制備技術(shù)。I)以2000rpm的轉(zhuǎn)速,將記錄介質(zhì)溶液旋涂在基底上,獲得厚度為400nm的記錄介
質(zhì)薄膜;
2)將兩種不同周期(A1=AZOnm, A 2=480nm ;入射光入射在A1=AZOnm的光柵)的激光干涉圖案分別與連續(xù)記錄介質(zhì)薄膜的兩個(gè)相鄰區(qū)域作用,并經(jīng)過顯影、定影處理,形成記錄介質(zhì)異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)樣品,激光干涉光刻技術(shù)制備光柵結(jié)構(gòu)的光路示意圖見圖1,制備異質(zhì)結(jié)光柵結(jié)構(gòu)的步驟見圖2 ;3)將直徑為5nm的金屬納米顆粒溶解于有機(jī)溶劑中,制成100mg/ml的金屬納米顆粒溶膠;4)將步驟3)中制備的金屬納米顆粒溶膠,以1800rpm的轉(zhuǎn)速,旋涂在步驟2)中制備的一維異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)上;5)將步驟4)中制備的樣品在400°C電爐中加熱60s,得到基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,該器件的照片和SEM圖像見圖3,其濾波帶寬隨入射角和周期比可調(diào)諧特性見圖4(理論模擬)和圖5(實(shí)驗(yàn)結(jié)果),偏振特性見圖6,實(shí)驗(yàn)濾波光斑照片如圖7。該異質(zhì)結(jié)光柵濾波得到的光束和反射光之間的距離(①和③)可遠(yuǎn)大于單一周期光柵(①和②),由θ 2控制,與反射光束傳播方向Θ I不同,方便在實(shí)際應(yīng)用中提取該光束。
權(quán)利要求
1.一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,其特征在于,在基底上的一維激光干涉圖案由相鄰的兩種不同周期的金屬激光干涉圖案連接組成,兩種激光干涉圖案的條紋方向一致,兩種不同周期的激光干涉圖案的周期之比AVA1范圍為0.6-1.5,入射光所在的激光干涉圖案的周期A1范圍為200nm-2000nm。
2.按照權(quán)利要求1的一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,其特征在于,激光干涉圖案的薄膜厚度優(yōu)選為50-500nm。
3.按照權(quán)利要求1的一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器,其特征在于,金屬優(yōu)選金、銀或鉬。
4.權(quán)利要求1所述的一種基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: 1)以500-4000rpm的轉(zhuǎn)速,將記錄介質(zhì)溶液旋涂在基底上,獲得厚度均勻的記錄介質(zhì)薄膜,薄膜的厚度為50-500nm ; 2)將兩種不同周期的激光干涉圖案分別與連續(xù)記錄介質(zhì)薄膜的兩個(gè)相鄰區(qū)域作用,并經(jīng)過顯影、定影處理,形成相鄰的兩種不同周期的金屬激光干涉圖案,即記錄介質(zhì)一維異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)樣品; 3)將直徑為2-10nm的金屬納米顆粒溶解于有機(jī)溶劑中,制成40-100mg/ml的金屬納米顆粒溶膠; 4)將步驟3)中制備的金屬納米顆粒溶膠,以1500-4000rpm的轉(zhuǎn)速,旋涂在步驟2)中制備的一維異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)上; 5)將步驟4)中制備的樣品在200-300°C的加熱板上或200-500°C電爐中加熱20-90s,得到基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器。
5.按照權(quán)利要求4的方法,其特征在于,步驟I)的轉(zhuǎn)速為2000rpm。
6.按照權(quán)利要求4的方法,其特征在于,記錄介質(zhì)為光刻膠。
7.按照權(quán)利要求4的方法,其特征在于,基底選自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者娃片。
8.按照權(quán)利要求4的方法,其特征在于,干涉光刻所用激光波長小于等于500nm。
9.按照權(quán)利要求4的方法,其特征在于,所述的有機(jī)溶劑為二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、環(huán)己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一種。
全文摘要
基于異質(zhì)結(jié)光柵的偏振濾波器及制備方法,屬于偏振濾波器技術(shù)領(lǐng)域。在基底上的一維激光干涉圖案由相鄰的兩種不同周期的金屬激光干涉圖案連接組成,兩種激光干涉圖案的條紋方向一致,兩種不同周期的激光干涉圖案的周期之比范圍為0.6-1.5,入射光所在的激光干涉圖案的周期范圍為200nm-2000nm。將記錄介質(zhì)溶液旋涂在基底上,將兩種不同周期的激光干涉圖案分別與連續(xù)記錄介質(zhì)薄膜的兩個(gè)相鄰區(qū)域作用,顯影、定影,將金屬納米顆粒溶膠旋涂在異質(zhì)結(jié)納米光柵結(jié)構(gòu)上,加熱即可。本發(fā)明方法無需使用昂貴的設(shè)備,成本低。
文檔編號(hào)G03F7/00GK103197366SQ20131008058
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者翟天瑞, 林遠(yuǎn)海, 張新平, 劉紅梅, 王麗 申請人:北京工業(yè)大學(xué)