一種可見光波段變換的光學器件結構單元及光學器件的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種可見光波段變換的光學器件結構單元及光學器件，所述可見光波段變換的光學器件結構單元包括TiO2材料組成的天線、銀鏡和二氧化硅基底，其中頂層是天線結構，中間一層是銀鏡，底部是二氧化硅基底材料，其中天線的寬度尺寸a=160nm至180nm，天線的長度尺寸b=240nm至370nm，銀鏡和二氧化硅基底的長度和寬度相等，記為P，周期 P=430±10nm，天線結構厚度t1=240±5nm，所述銀鏡銀層厚度t2=300±20nm。本發明的光學器件采用二氧化鈦納米天線作為基本結構單元，超構表面亞單元在波長為632 nm處完美實現了光束異常反射，其形成的光學器件具有較高的異常反射轉換效率。
【專利說明】
一種可見光波段變換的光學器件結構單元及光學器件
技術領域
[0001] 本發明屬于集成光學技術領域，尤其涉及一種可見光波段變換的光學器件結構單 元及光學器件。
【背景技術】
[0002] 傳統的光學元件如平面鏡、棱鏡、透鏡等，及衍射結構如光柵等均是通過傳播路徑 上連續相位的積累來改變波束的傳播方向，波在光學元件中傳播的距離一般遠大于波長。 當電磁波入射到兩種介質的分界面上時，反射波和透射波遵守經典的反射定律和折射定律 (斯涅爾定律，Snell's Law)。超材料尤其左手材料的研究表明，利用左手材料也可使入射 波發生異常反射，但其仍然遵循經典折射定律，只是引入了負折射率的概念。相比之下，超 表面通過深亞波長厚度的結構，就可以實現對反射波束和折射波束的自由控制，不再遵守 經典的反折射定律，極大減小了光學器件的厚度和體積。
[0003] 超構表面是二維的超材料技術，三維的超材料被拓展到了二維結構，通過二維的 微小電散射體或空腔的陣列排布于基體材料表面或介質界面獲得一種新型的超材料。利用 超構表面對電磁波的相位調控，可以在平面上制備變換光學器件。
[0004] 由介質、金屬構成的周期型微結構材料具有兩大特征:一是豐富的界面，二是周期 性。由于界面豐富，這種結構可以支持多樣的電磁模式(各類體模式和界面模式，如波導模 式和表面等離激元模式）；由于具有周期性，這種結構可以產生強烈的各向異性，并擁有了 激發和調制各種電磁模式的能力。因此電磁波在這類材料中具有與在一般材料中大為不同 的傳播性質:超常的透射、反射、吸收、折射現象等，對這種材料的研究具有新穎的物理意義 和良好的應用前景。
[0005] 在光通信領域，超表面可以用來設計工作在光通信波段的光開關、空間光調制器 以及波分復用器/解復用器等。然而，大部分的異常折/反射超表面結構只在非可見光波段 發生改變。如要實現可見光波段的異常反射，對材料要求較高，它需要具備在可見光波段可 忽略不計的吸收損耗和具有較高的折射率。該材料必須是光學光滑的，具有比在材料中的 光的波長要小得多的表面粗糙度，高的表面粗糙度造成多余的光散射，會帶來明顯的光損 耗。為了最大限度地減少粗糙度，材料必須是無定形的或單一的結晶，因為多晶材料的晶界 會增加粗糙度和光散射。
[0006] 在現代光學中，實現對光傳播的完全控制是目前一個重要研究方向。為了實現這 樣的控制，需要創造出應具有〇到2JI相位調制和實現控制光振幅的器件。在傳統光學元器件 中如雙折射波片和球面透鏡，對于不同偏振態或不同空間的光束需要一個顯著的傳播距離 以獲取不同相位積累，因此制備這類傳統器件需要較厚的材料，但是這樣的器件難以嵌入 到集成光學系統。集成問題的解決方案之一是使用反射和透射天線陣列。這種方法最初被 用于微波頻率和毫米波頻率，使用單個或幾個超薄天線層實現對電磁波振幅和相位的控 制。隨著位置的變化同時改變天線的幾何參數，這些天線陣列可以在空間上實現對光相位 的控制。最近，類似的材料，在光學頻率段實現同樣的效應，這種材料被稱為超構表面。超構 表面利用非對稱的電偶極子諧振機理對偏振方向垂直于入射光偏振方向的散射光相位實 現了 0到231的完全控制。如在透射陣列中一樣，隨著位置改變諧振天線的幾何參數可以在亞 波長厚的薄層內實現對光波波陣面的任意控制。這類的超構表面已經被呈現應用于異常折 射，四分之一和二分之一波片，透鏡和軌道角動量的控制。
[0007] 目前超構表面的構成材料主要是金屬材料。由金屬材料構成的等離子體激元機制 超構表面的缺點是這類金屬結構通常具有金屬歐姆損耗和在入射波與反射波之間的弱耦 合效應，因此這類超構表面的效率很低。可以利用多層或者厚度大的超構表面實現電諧振 和磁諧振的疊加，進而增加超構表面的工作效率，但是同時這些方法都增加制備材料的復 雜層度和體積。在另外的一種方案中，可以利用金屬天線陣列和一個反射鏡面在亞波長薄 膜內引入多次反射實現高效率的異常反射和線性傳輸轉換。雖然這類方案避免了制備的復 雜層度，但是由于金屬的歐姆損耗仍然限制了這種金屬構成的超構表面的工作效率。
【發明內容】
[0008] 針對以上技術問題，本發明公開了一種可見光波段變換的光學器件結構單元及光 學器件，在可見光波段實現了光束異常反射，且具有較高的異常反射轉換效率。
[0009] 對此，本發明采用的技術方案為：
[0010] 一種可見光波段變換的光學器件結構單元，其包括Ti〇2材料組成的天線、銀鏡和 二氧化硅基底，其中頂層是天線結構，中間一層是銀鏡，底部是二氧化硅基底材料，其中天 線的寬度尺寸a=160nm至180nm，天線的長度尺寸b = 240nm至370nm，銀鏡和二氧化娃基底 的長度和寬度相等，記為P，周期？ = 430±1〇111]1，天線結構厚度1：1 = 240±5111]1，所述銀鏡銀層 厚度 t2 = 300±20nm。
[0011] 此技術方案中，非晶態的二氧化鈦具有比在材料中的光的波長要小得多的表面粗 糙度，二氧化鈦在波長大于350nm時幾乎沒有吸收損耗，在強光的作用下會產生足夠高的折 射率。
[0012] 本發明還公開了一種可見光波段變換的光學器件，其包括如上所述的可見光波段 變換的光學器件結構單元，所述光學器件單元的天線在y軸呈周期分布，在從一側到另一側 分布序號依次為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，對應的天線編號的幾何參數為:天線1的參數 & = 180 ± 2nm，b = 370 ± 2nm;天線 2 的參數a = 170 ± 2nm，b = 350 ± 2nm;天線 3 的參數 a = 160 土 2]1111，匕=335±211111;天線4的參數&=160±211111，匕=278±211111;天線5的參數& = 160±211111，匕= 240 ± 2nm;天線6相對于天線1順時針旋轉90° ;天線7相對于天線2順時針旋轉90° ;天線8相 對于天線3順時針旋轉90° ;天線9相對于天線4順時針旋轉90° ;天線10相對于天線5順時針 旋轉90°。
[0013] 上述可見光波段變換的光學器件的制備方法，包括以下步驟：
[0014] 第一步是利用電子束蒸鍍方法在二氧化硅基底上覆蓋一層銀膜，然后在銀膜表面 上繼續用電子束蒸鍍覆蓋填充層二氧化鈦；
[0015] 第二步是在二氧化鈦膜上旋涂光刻膠，然后用電子束曝光技術完成光刻膠的刻蝕 和顯影；
[0016] 第三步是采用反應離子束刻蝕技術實現對二氧化鈦膜的刻蝕；
[0017] 第四步是經過剝離過程得到最終的納米二氧化鈦天線。
[0018] 本發明的有益效果是：
[0019] 第一，本發明的可見光波段變換的光學器件在可見光波段實現了異常反射，它采 用簡單的二氧化鈦納米天線作為基本結構單元，超構表面亞單元在波長為632nm處完美實 現了光束異常反射。
[0020] 第二，本發明的可見光波段變換的光學器件從結構的參數來看，超材料的厚度可 以達到600nm級別，對于微納米光子學器件可利用性高。
[0021] 第三，選用Ti02作為諧振天線的材料，通過合理設計器件的物理尺寸及材料參數， 隨著位置的變化同時改變天線的幾何參數，這些天線陣列可以在空間上實現對光相位的控 制，使得在工作波長632nm處具有較高的異常反射轉換效率，反射轉換效率高達69 %。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明結構單元的三維示意圖；
[0023]圖2是本發明結構單元的俯視圖；
[0024]圖3是本發明結構單元的側視圖；
[0025]圖4是Ti02周期結構分布三維示意圖；
[0026]圖5是Ti02周期結構分布二維示意圖；
[0027]圖6是異常反射電場分布不意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖，對本發明的較優的實施例作進一步的詳細說明。
[0029] 針對現有變換光學器件在工作波段上的不足，為了實現在可見光波段的異常反 射，采用二氧化鈦周期結構的超構表面，這種沒有加入介質層的超構表面能夠實現比金屬 加介質層作為超表面材料更好的實驗效果，其在實驗中反應離子束刻蝕后去掩膜階段使結 構更加完整。本設計工作波段在可見光波段，但是該設計可以推廣至其它波長范圍。在該設 計中，將二氧化鈦作為介質諧振天線的材料，利用二氧化鈦較高的折射率的光學性能使納 米光學天線具有調控散射光的相位性能。由高折射率材料構成的電介質超材料諧振天線因 為米氏諧振可以支持電偶極子和磁偶極子的響應。
[0030] 利用二氧化鈦納米天線可對幾何平面上的任意一點的相位變化進行設計，通過改 變納米天線的某一維度的尺寸可以使沿著這一維度的偏振光產生相位延遲，從而實現一定 的相位梯度。合理選取Ti0 2基本結構單元的尺寸，在一個超晶胞內實現了2JI相位的覆蓋，反 射光波陣面畸變小，在工作波長632nm處具有較高的異常反射轉換效率，高達69%。
[0031] 具體實施方案如下:該結構示意圖如圖1所示:超構表面材料結構單元包括Ti〇2天 線、銀鏡和二氧化硅基底，其中頂層是Ti0 2天線結構，中間一層是銀鏡，底部是基底材料。 [0032]該納米光學天線結構是Ti02材料，在此選用Ti0 2作為諧振天線的材料，因為二氧化 鈦在可見光波段的損耗相較而言更小。其中制備部分的難度在于如何制備出損耗比較小的 結構，以及制備缺陷較小的諧振天線結構，因為二氧化鈦天線幾何結構參數是控制散射波 的相位與振幅的因素，所以二氧化鈦天線的完整程度對其性能影響很大。目前國際上制備 二氧化鈦膜的方法有電子束蒸鍍，這樣得到的材料純度比較高，表面比較平整，損耗比較 小。制備二氧化鈦天線的幾何圖案則由電子束曝光系統得到光刻膠掩膜版，然后利用反應 離子束刻蝕硅膜。
[0033]結構單元的幾何設計如圖2、圖3所示，其中二氧化娃天線的寬度尺寸a = 180 土 2nm，二氧化硅天線的長度尺寸b = 370 ± 2nm，銀鏡和二氧化硅基底的長度和寬度相等，記為 P，周期P = 430 ± 10nm，二氧化鈦天線結構厚度ti = 240 ± 5nm，銀層厚度t3 = 300 ± 20nm。 [0034]可見光波段變換光學器件的結構設計如圖4,圖5所示，對應的天線編號的幾何參 數為：天線 1 的參數a = 180 ± 2nm，b = 370 ± 2nm;天線 2 的參數a = 170 ± 2nm，b = 350 ± 2nm;天 線3的參數3=160±2]1111，匕=335±211111;天線4的參數3=160±211111々=278±211111;天線5的參 數a= 160 ± 2nm，b = 240 ± 2nm;天線6相對于天線1順時針旋轉90° ;天線7相對于天線2順時 針旋轉90° ;天線8相對于天線3順時針旋轉90° ;天線9相對于天線4順時針旋轉90° ;天線10 相對于天線5順時針旋轉90°。
[0035]經過實驗發現，上述可見光波段變換光學器件波長為632nm處完美實現了光束異 常反射。上述可見光波段變換光學器件的異常反射電場分布示意圖如圖6所示，對于垂直入 射光，折射光和反射光不再是沿著法線的方向，而是與發現成一定角度出射。在公式
>代入對應數值P = 430nm和= 632nm得到異常反射的反射角為=10.6°。由 圖6可以測量出數值計算的異常反射角為= 9.5°，這與理想角度值有微弱的偏差，但偏差很 小。導致微弱偏差可能的原因是天線相互之間的相位階躍不是恒定為常數且不存在誤差 的。
[0036] 結構制備流程:第一步是利用電子束蒸鍍方法在二氧化硅基底上覆蓋一層銀膜， 然后在銀膜表面上繼續用電子束蒸鍍覆蓋填充層二氧化鈦膜。第二步是在二氧化鈦膜上旋 涂光刻膠，然后用電子束曝光技術完成光刻膠的刻蝕和顯影。第三步是采用反應離子束刻 蝕技術實現對二氧化鈦膜的刻蝕。第四步是經過剝離過程得到最終的納米二氧化鈦天線。
[0037] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護范圍。
【主權項】
1. 一種可見光波段變換的光學器件結構單元，其特征在于：其包括Ti〇2材料組成的天 線、銀鏡和二氧化硅基底，其中頂層是天線結構，中間一層是銀鏡，底部是二氧化硅基底材 料，其中天線的寬度尺寸a=l 60nm至180nm，天線的長度尺寸b=240nm至370nm，銀鏡和二氧化 娃基底的長度和寬度相等，記為P，周期P=430± 10nm，天線結構厚度ti=240±5nm，所述銀 鏡銀層厚度t2=300 ± 20nm。2. -種可見光波段變換的光學器件，其特征在于:其包括如權利要求1所述的可見光波 段變換的光學器件結構單元，所述光學器件單元的天線在y軸呈周期分布，在從一側到另一 側分布序號依次為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，對應的天線編號的幾何參數為:天線1的參數 &= 180±2應，匕=370±211111;天線2的參數&=170±211111，&=350±211111;天線3的參數&=160±211111，匕 =335±2腦；天線4的參數&=160±2]1111，匕=278±211111;天線5的參數&=160±211111，匕=240±211111; 天線6相對于天線1順時針旋轉90°;天線7相對于天線2順時針旋轉90°;天線8相對于天 線3順時針旋轉90° ;天線9相對于天線4順時針旋轉90° ;天線10相對于天線5順時針旋轉 90。。3. 權利要求2所述的可見光波段變換的光學器件的制備方法，其特征在于，包括以下步 驟： 第一步是利用電子束蒸鍍方法在二氧化硅基底上覆蓋一層銀膜，然后在銀膜表面上繼 續用電子束蒸鍍覆蓋填充層二氧化鈦； 第二步是在二氧化鈦膜上旋涂光刻膠，然后用電子束曝光技術完成光刻膠的刻蝕和顯 影； 第三步是采用反應離子束刻蝕技術實現對二氧化鈦膜的刻蝕； 第四步是經過剝離過程得到最終的納米二氧化鈦天線。
【文檔編號】G02B5/30GK106054287SQ201610628539
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月3日
【發明人】肖淑敏, 朱茂霞, 張海濤, 宋清海
【申請人】哈爾濱工業大學深圳研究生院