一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器及其制备方法与流程

1.本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器及其制备方法。


背景技术：

2.自然界中有很多生物能够感知偏振光在天空中的强度、方向和分布模式，并能用其来实现导航定位。生物导航不受电磁干扰，误差不随时间累积，具有广泛的应用前景。目前，国内外许多学者都对偏振导航传感器展开了研究，在此研究方向中，偏振器是其中一个最重要的组成部分。光栅作为一种常用的光学元件，在各种光学系统中都有着重要的作用。其基本特性主要有色散、分束、偏振及相位匹配。当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，称为亚波长光栅。亚波长光栅是由玻璃(二氧化硅)基底上一组间距小于入射波长的金属栅条排列而成，金属栅条表面的电子在沿栅条方向上可以自由振荡，所以亚波长金属光栅具有特殊的偏振衍射特性,即对于电场矢量方向垂直于栅条的tm波，光栅可以近似等效为电介质透过tm波；对于电场方向平行于栅条的te波，光栅相当于金属膜反射te波。亚波长偏振光栅具有衍射效率高，偏振特性好，且体积小、重量轻、性能稳定可靠等优点，是一种优良的新型光学元件，利用光栅的偏振特性,可以制作各种偏光器件,如偏振光检测器、偏振分束器、相位延迟器、各种波片等，在光通讯、液晶显示等领域具有广泛的应用前景。
3.不同种类的金属光栅具有不同的tm偏振透过率和消光比。为了获得理想的高要求的偏振器，需要对偏振器的结构参数进行设计优化，并选择合适的制备工艺。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中偏振器的透过率及消光比低的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器，所述金属偏振器包括：二氧化硅衬底；
5.以及在所述二氧化硅衬底制备的铝金属线栅阵列，其中，所述铝金属线栅阵列包括阵列排布的多个铝金属栅条，相邻的所述铝金属栅条之间的间距小于入射波长。
6.优选地，多个所述铝金属栅条的光栅周期为160nm，占空比为0.5，深度为175nm。
7.本发明的另一个目的在于提供一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的制备方法，所述制备方法包括如下方法步骤：
8.s1、清洗二氧化硅衬底；
9.s2、在所述二氧化硅衬底表面镀铝膜层；
10.s3、在所述铝膜层上粘附光刻胶层；
11.s4、在所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形；
12.s5、对所述铝膜层刻蚀，制备铝金属线栅阵列。
13.优选地，在步骤s1中，将二氧化硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，并在超声机中超声清洗三遍，最后将二氧化硅衬底烘干。
14.优选地，在步骤s2中，利用等离子体溅射的方法在所述二氧化硅衬底表面镀铝膜层，沉积铝膜层过程中，旋转台保持匀速旋转以保证薄膜的均匀性。
15.优选地，在步骤s3中，将样品放置在台式匀胶机的样品吸盘上，并且在铝膜层表面滴入光刻胶。
16.优选地，在步骤s4中，在所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形，包括如下步骤：
17.s41、绘制图形；
18.s42、在扫描电子显微镜下进行聚焦与调像散，对所述光刻胶层表面一或两个微小颗粒进行聚焦，将颗粒边缘扫描清晰，得到掩模结构；
19.s43、将样品在显影液中显影，之后用去离子水冲洗，得到光刻胶掩模图形。
20.优选地，在步骤s4中，所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形后，将样品放置在热板上烘烤，增加光刻胶掩模图形的稳定性。
21.优选地，在步骤s5中，利用感应耦合等离子体刻蚀的方式，对所述铝膜层刻蚀，包括如下步骤：
22.s51、在样品托盘上涂抹一层均匀油脂；
23.s52、将托盘放入腔室内，进行抽真空，待抽好真空后选择设定的刻蚀程序，确定工艺参数包括刻蚀时间，对铝膜层刻蚀；
24.s53、刻蚀完成后，取出样品，用去离子水洁净处理，并清除未刻蚀铝膜层上的光刻胶，得到铝金属线栅阵列。
25.本发明提供的一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器及其制备方法，工作波段在可见光区域，具有高透过率及消光比的偏振特性，能够用于偏振导航，具有良好的应用前景。
26.本发明提供的一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器及其制备方法，采用电子束曝光法制备亚波长铝金属线栅阵列，具有极高的分辨率及制作灵活性。器件具有高透射率、高消光比，偏振性能好，有广阔的应用前景，可应用在航天航空、偏振导航、偏振成像等领域。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1示意性示出了本发明一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的结构示意图。
29.图2示出了本发明用于偏振导航的亚波长金属偏振器制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
30.为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
31.为了解决现有技术中偏振器的透过率及消光比低的技术问题，如图1所示本发明
一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的结构示意图，根据本发明的实施例，提供一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器，包括：二氧化硅衬底101，以及在二氧化硅衬底101制备的铝金属线栅阵列。铝金属线栅阵列包括阵列排布的多个铝金属栅条102，相邻的铝金属栅条102之间的间距小于入射波长。多个铝金属栅条102的光栅周期为160nm，占空比为0.5，深度为175nm。
32.参照图1，铝金属线栅阵列具有偏振性能的原因在于，垂直于光栅矢量(te偏振)和平行于光栅矢量(tm偏振)偏振光的边界条件不同，其等效折射率也不同。
33.te偏振激发金属线的电子而产生电流，使得该方向的偏振光反射，而tm偏振由于该方向上有空气间隙将金属线隔离而无法产生电流，此时光波会透射过去。
34.本发明采用金属铝作为光栅材料，二氧化硅作为基底材料，工作波段在可见光区域，铝金属线栅阵列在二氧化硅衬底101呈周期性排列，通过lumerical fdtd软件仿真模拟后确定铝金属线栅阵列参数为：光栅周期为160nm，占空比为0.5，光栅深度为175nm。
35.如图2所示本发明用于偏振导航的亚波长金属偏振器制备方法的工艺流程图，根据本发明的实施例，提供一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的制备方法，利用电子曝光技术(ebl)在镀有铝膜的二氧化硅衬底上制备出偏振光栅掩模，之后通过感应耦合等离子体刻蚀技术(icp)将结构转移到铝膜上得到纳米级铝金属线栅阵列。
36.具体地，一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的制备方法，包括如下方法步骤：
37.步骤s1、清洗二氧化硅衬底。
38.具体的实施例中，将二氧化硅衬底101依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，并在超声机中超声清洗三遍，最后将二氧化硅衬底烘干。
39.步骤s2、在二氧化硅衬底表面镀铝膜层。
40.具体的实施例中，利用等离子体溅射的方法在二氧化硅衬底101表面镀铝膜层103，沉积铝膜层103过程中，旋转台保持匀速旋转以保证薄膜的均匀性。
41.步骤s3、在铝膜层上粘附光刻胶层。
42.具体的实施例中，将样品放置在台式匀胶机的样品吸盘上，并且在铝膜层103表面滴入光刻胶，进行匀胶。匀胶后的样品放置热板上烘烤，将溶剂中的水分蒸发掉，增加光刻胶与铝膜层103的粘附性，形成光刻胶层104。
43.步骤s4、在光刻胶层绘制光刻胶掩模图形。
44.具体的实施例中，在光刻胶层104绘制光刻胶掩模图形，包括如下步骤：
45.步骤s41、绘制图形。
46.在电子束曝光前需要绘制曝光图形。实施例中，通过软件绘制曝光图案，体现了电子束曝光技术曝光图案的灵活性。
47.步骤s42、在扫描电子显微镜下进行聚焦与调像散，对光刻胶层104表面一或两个微小颗粒进行聚焦，将颗粒边缘扫描清晰，进行曝光，得到掩模结构。
48.步骤s43、将样品在显影液中显影，之后用去离子水冲洗，得到光刻胶掩模图形。
49.具体的实施例中，曝光后，将样品在显影液中显影，之后用去离子水冲洗，得到光刻胶掩模图形105。光刻胶层104绘制光刻胶掩模图形105后，将样品放置在热板上烘烤，增加光刻胶掩模图形105的稳定性。
50.步骤s5、对铝膜层刻蚀，制备铝金属线栅阵列。
51.利用感应耦合等离子体刻蚀的方式，对铝膜层103刻蚀，包括如下步骤：
52.步骤s51、根据样品尺寸大小，在样品托盘上涂抹一层均匀油脂。
53.步骤s52、将托盘放入腔室内，进行抽真空，待抽好真空后选择设定的刻蚀程序，确定工艺参数包括刻蚀时间，对铝膜层103刻蚀。
54.步骤s53、刻蚀完成后，取出样品，用去离子水洁净处理，并清除未刻蚀铝膜层上的光刻胶，得到铝金属线栅阵列。
55.具体地，刻蚀完成后用镊子将样品从托盘上取下并迅速用去离子水洁净处理并清除未刻蚀铝膜层103上的光刻胶，得到铝金属线栅阵列102。
56.本发明相对于现有的亚波长光栅偏振器，工作在可见光波段，在550nm波长处有高于76％的tm透射率和大于40db的消光比。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器，其特征在于，所述金属偏振器包括：二氧化硅衬底；以及在所述二氧化硅衬底制备的铝金属线栅阵列，其中，所述铝金属线栅阵列包括阵列排布的多个铝金属栅条，相邻的所述铝金属栅条之间的间距小于入射波长。2.根据权利要求1所述的金属偏振器，其特征在于，多个所述铝金属栅条的光栅周期为160nm，占空比为0.5，深度为175nm。3.一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下方法步骤：s1、清洗二氧化硅衬底；s2、在所述二氧化硅衬底表面镀铝膜层；s3、在所述铝膜层上粘附光刻胶层；s4、在所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形；s5、对所述铝膜层刻蚀，制备铝金属线栅阵列。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，将二氧化硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，并在超声机中超声清洗三遍，最后将二氧化硅衬底烘干。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，利用等离子体溅射的方法在所述二氧化硅衬底表面镀铝膜层，沉积铝膜层过程中，旋转台保持匀速旋转以保证薄膜的均匀性。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，将样品放置在台式匀胶机的样品吸盘上，并且在铝膜层表面滴入光刻胶。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，在所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形，包括如下步骤：s41、绘制图形；s42、在扫描电子显微镜下进行聚焦与调像散，对所述光刻胶层表面一或两个微小颗粒进行聚焦，将颗粒边缘扫描清晰，得到掩模结构；s43、将样品在显影液中显影，之后用去离子水冲洗，得到光刻胶掩模图形。8.根据权利要求3或7所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述光刻胶层绘制光刻胶掩模图形后，将样品放置在热板上烘烤，增加光刻胶掩模图形的稳定性。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s5中，利用感应耦合等离子体刻蚀的方式，对所述铝膜层刻蚀，包括如下步骤：s51、在样品托盘上涂抹一层均匀油脂；s52、将托盘放入腔室内，进行抽真空，待抽好真空后选择设定的刻蚀程序，确定工艺参数包括刻蚀时间，对铝膜层刻蚀；s53、刻蚀完成后，取出样品，用去离子水洁净处理，并清除未刻蚀铝膜层上的光刻胶，得到铝金属线栅阵列。

技术总结
本发明提供了一种用于偏振导航的亚波长金属偏振器，包括：二氧化硅衬底；以及在所述二氧化硅衬底制备的铝金属线栅阵列，其中，所述铝金属线栅阵列包括阵列排布的多个铝金属栅条，相邻的所述铝金属栅条之间的间距小于入射波长。本发明工作波段在可见光区域，具有高透过率及消光比的偏振特性，能够用于偏振导航，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。


技术研发人员：何彦霖 王书凝 祝连庆 鹿利单 祝航威
受保护的技术使用者：广州市南沙区北科光子感知技术研究院
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/18