專利名稱：一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
衍射光學(xué)元件是利用光的衍射現(xiàn)象對(duì)光波的波前進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)特定功能的光學(xué)元件的總稱。這些衍射光學(xué)元件通常包括:各種光柵、波帶片和光子篩等。它們?cè)谖㈦娮庸饪碳夹g(shù)、波前整形、光通信、聚焦成像以及微細(xì)加工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，上述衍射光學(xué)元件中的波帶片是具有自聚焦能力的衍射光學(xué)元件，目前的加工工藝可以使其分辨率達(dá)到十幾納米，因此，它可以應(yīng)用到微電子光刻領(lǐng)域。但是，這些傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件的衍射效率較低，大大影響了它們的使用范圍。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件的衍射效率較低的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，利用該方法制作的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件相對(duì)于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件具有更高的衍射效率。為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案:—種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件的設(shè)計(jì)方法，該方法包括:根據(jù)入射波長(zhǎng)λ，選擇制作所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料；
在所述金屬材料上選擇取樣點(diǎn)，并根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所述取樣點(diǎn)處要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)在O λ內(nèi)自由選取；根據(jù)所述取樣點(diǎn)的位置及其所對(duì)應(yīng)的金屬方孔的邊長(zhǎng)，利用金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)處的相位表達(dá)式以及所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，計(jì)算所述金屬方孔的深度。優(yōu)選的，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件表面任意點(diǎn)(X，y)處的相位表達(dá)式為:
—- —
Λ-.Γ) - 2.)'} i /Γ + I '.—V -...τ , 一 / )
A.5其中，f為所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的焦距，m為任意整數(shù)，選取合適的m值，使所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面(X，y)處的相位φ (X,y )處于O到2 π之間。優(yōu)選的，所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系為:
2.Φ-, φ ^ -.'…. -- ■ λ \ 4ιΓ.5其中，λ表示入射光波長(zhǎng)，φ表示所述取樣點(diǎn)處的相位延遲，a表示所述金屬方孔的邊長(zhǎng)，h表示所述金屬方孔的深度。優(yōu)選的，所述取樣點(diǎn)間要保持一定的間距，以確保所選取樣點(diǎn)足夠多且相鄰取樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的金屬方孔彼此不發(fā)生重疊。優(yōu)選的，所述取樣點(diǎn)在所述金屬材料上的排布方式為規(guī)則排布、隨機(jī)排布或非規(guī)貝_布。更優(yōu)選的，所述規(guī)則排布為正方形排布，或平方點(diǎn)陣排布，或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排布或其他形式的規(guī)則排布。優(yōu)選的，所述基底材料為紅外材料或可見光材料。更優(yōu)選的，所述紅外材料為硅或鍺。 更優(yōu)選的，所述可見光材料為石英或玻璃。優(yōu)選的，所述金屬材料為金或銀。優(yōu)選的，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)為0.6 0.9倍的入射波長(zhǎng)。優(yōu)選的，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法只適用于正入射的情況?！N金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件，該兀件包括:基底材料、位于所述基底材料上表面的金屬層以及嵌入所述金屬層中的金屬方孔；所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件是上述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法制作的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案，是通過在金屬材料上嵌入不同大小的金屬方孔，來(lái)制作金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件:首先，根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料，然后在所述金屬材料上進(jìn)行取點(diǎn)，并根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所取點(diǎn)處要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，最后結(jié)合所述取點(diǎn)的位置與所對(duì)應(yīng)的金屬方孔的邊長(zhǎng)，利用金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)處的相位表達(dá)式以及所述取點(diǎn)處的相位延遲與所述金屬方孔的邊長(zhǎng)和所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，計(jì)算出所述金屬方孔的深度。這樣就可以通過合理的設(shè)置所述金屬方孔的邊長(zhǎng)和深度，采用在所述金屬材料上嵌入大小不同的亞波長(zhǎng)金屬方孔結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)所述金屬材料上取樣點(diǎn)的相位延遲，從而通過對(duì)所述金屬方孔陣列透射電場(chǎng)的相位調(diào)制，使每個(gè)金屬方孔的透射電場(chǎng)在所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)處相干疊加，進(jìn)而增強(qiáng)所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的透射率，使得所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件相對(duì)于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件具有更高的衍射效率。
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件上金屬方孔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的所述金屬方孔深度與所述取樣點(diǎn)處相位延遲之間的關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的示意圖，其中，灰色部分表示金屬，為不透光區(qū)域，白色部分為金屬方孔，為透光區(qū)域；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例所提供的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的剖視圖。
具體實(shí)施例方式正如背景技術(shù)部分所述，傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件的衍射效率較低，大大影響了它們的使用范圍。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，1998年，《自然》雜志上刊登了一篇關(guān)于金屬薄膜上周期性孔陣列異常光學(xué)透射現(xiàn)象的文章，該文章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)衍射理論預(yù)測(cè)的透過率，進(jìn)一步的研究表明這一現(xiàn)象是金屬薄膜上周期性孔陣列所特有的，其物理原因是入射光激發(fā)了這種結(jié)構(gòu)的表面波，與孔內(nèi)的波導(dǎo)模式相互耦合，起了增強(qiáng)透射的作用。有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟:根據(jù)入射波長(zhǎng)λ，選擇制作所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料；在所述金屬材料上選擇取樣點(diǎn)，并根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所述取樣點(diǎn)要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)可在O λ內(nèi)自由選??；根據(jù)所述取樣點(diǎn)的位置與所對(duì)應(yīng)的金屬方孔的邊長(zhǎng)，利用金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)處的相位表達(dá)式以及所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，計(jì)算所述金屬方孔的深度。本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案，針對(duì)單個(gè)金屬方孔的結(jié)構(gòu)，利用所述取點(diǎn)處的相位延遲與所述金屬方孔的邊長(zhǎng)和所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，通過合理的設(shè)置所述金屬方孔的邊長(zhǎng)和深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述金屬方孔陣列透射電場(chǎng)的相位調(diào)制，使每個(gè)金屬方孔的透射電場(chǎng)在所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)處相干疊加，從而增強(qiáng)了所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的透射率，使得所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件相對(duì)于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件具有更高的衍射效率。以上是本申請(qǐng)的核心思想，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。實(shí)施例一:在對(duì)所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要根據(jù)入射光的波長(zhǎng)，選擇制作所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)在紅外光范圍內(nèi)時(shí)，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料為紅外材料，所述紅外材料可選擇硅或鍺；當(dāng)入射光的波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)時(shí)，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件的基底材料為可見光材料，所述可見光材料可選擇石英或玻璃。無(wú)論入射光的波長(zhǎng)在紅外光范圍內(nèi)還是可見光范圍內(nèi)，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的金屬材料都可以選擇金或銀。本發(fā)明實(shí)施例中所選取的入射光的波長(zhǎng)為220nm,所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件的基底材料為石英,所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的金屬材料為銀。在所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料選定之后，需要在所述金屬材料上選取取樣點(diǎn)，各點(diǎn)金屬層厚度均相同。所述取樣點(diǎn)即為所述金屬材料上將要嵌入金屬方孔的位置。在選取所述取樣點(diǎn)時(shí)，所述取樣點(diǎn)之間需要保持一定的間距，以確保所選取樣點(diǎn)足夠多且在所述取樣點(diǎn)處嵌入金屬方孔時(shí)，金屬方孔和金屬方孔之間不會(huì)發(fā)生重疊。所述取樣點(diǎn)在所述金屬材料上的排布方式可以為規(guī)則排布、隨機(jī)排布或非規(guī)則排布，在所述取樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的金屬方孔不發(fā)生彼此重疊的情況下，所選取的取樣點(diǎn)應(yīng)盡可能的多。當(dāng)所述取樣點(diǎn)在所述金屬材料上規(guī)則排布時(shí)，所述取樣點(diǎn)可按正方形排布，或平方點(diǎn)陣排布，或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排布或其他形式的規(guī)則排布，只要金屬方孔與金屬方孔之間不會(huì)發(fā)生重疊即可。在所述金屬材料上的取樣點(diǎn)確定之后，根據(jù)入射光的波長(zhǎng)λ確定所述取樣點(diǎn)將要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)可在O λ內(nèi)自由選取，為亞波長(zhǎng)量級(jí)，其中，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)優(yōu)選為0.6 0.9倍的入射波長(zhǎng)。本發(fā)明實(shí)施例中所述金屬方孔的邊長(zhǎng)選取為0.7 λ，即為154nm。所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)兀件表面任意點(diǎn)(X，y)處的相位表達(dá)式為:
權(quán)利要求
1.一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括: 根據(jù)入射波長(zhǎng)λ，選擇制作所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料； 在所述金屬材料上選擇取樣點(diǎn)，并根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所述取樣點(diǎn)處要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)在O λ內(nèi)自由選?。? 根據(jù)所述取樣點(diǎn)的位置及其所對(duì)應(yīng)的金屬方孔的邊長(zhǎng)，利用金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)處的相位表達(dá)式以及所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，計(jì)算所述金屬方孔的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)(X, y)處的相位表達(dá)式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述取樣點(diǎn)間要保持一定的間距，以確保所選取樣點(diǎn)足夠多且相鄰取樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的金屬方孔彼此不發(fā)生重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于，所述取樣點(diǎn)在所述金屬材料上的排布方式為規(guī)則排布、隨機(jī)排布或非規(guī)則排布。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述規(guī)則排布為正方形排布，或平方點(diǎn)陣排布，或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排布或其他形式的規(guī)則排布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料為紅外材料或可見光材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述紅外材料為硅或鍺。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述可見光材料為石英或玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料為金或銀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)為0.6 0.9倍的入射波長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法只適用于正入射的情況。
13.一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件，其特征在于，該元件包括:基底材料、位于所述基底材料上表面的金屬層以及嵌入所述金屬層中的金屬方孔； 所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件是利用I 12任一項(xiàng)中所述的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法制作的。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，該方法包括根據(jù)入射波長(zhǎng)λ，選擇制作所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的基底材料和金屬材料；在所述金屬材料上選擇取樣點(diǎn)，并根據(jù)入射波長(zhǎng)確定所述取樣點(diǎn)處要嵌入的金屬方孔的邊長(zhǎng)，所述金屬方孔的邊長(zhǎng)在0～λ內(nèi)自由選?。桓鶕?jù)所述取樣點(diǎn)的位置及其所對(duì)應(yīng)的金屬方孔的邊長(zhǎng)，利用金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件表面任意點(diǎn)處的相位表達(dá)式以及所述取樣點(diǎn)處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長(zhǎng)與所述金屬方孔的深度之間的關(guān)系，計(jì)算所述金屬方孔的深度。利用本發(fā)明所提供的金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，可以增強(qiáng)所述金屬結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的透射率，使其相對(duì)于傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件具有更高的衍射效率。
文檔編號(hào)G02B5/18GK103091839SQ201110338638
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者謝常青, 辛將, 朱效立, 劉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所