CN113759450B - 一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅mdm梯形结构吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，包括硫化锌基底，所述基底的底部镀制用铝膜，基底上部镀制由下至上依次为铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的梯形光栅结构层；本发明采用光刻、刻蚀与镀膜相结合的加工工艺，仅通过改变微纳结构的占空比或周期，即可实现吸收峰中心波长的平移调控，并在多方位角下实现超广角窄带高吸收，在全面阵区域内，针对多组条带微纳结构的同一膜层，实现同时加工制备。克服了传统镀膜工艺中，因分时分区域多次镀膜所导致的镀膜次数的数量级增长，以及多条带异化镀膜相对平行度难以保证等难题，提高了加工效率，降低了全面阵区域内偏振光谱分光器件加工制备的难度和复杂性，具有创新意义。

Description

一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器

技术领域

本发明属于微纳光学器件技术领域，具体涉及一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器。

背景技术

完美光吸收是将光能转化为其他形式能量的有效途径。吸收器被广泛应用于多种学科领域中，它是作为提高其光学特性的重要手段，尤其是将完美吸收的特性应用于探测器领域一直备受国内外学者的关注，也因此成为了重要的研究热点。自1976年以来，Maystre等人发表了有关他们在衍射光栅中发现的全吸收现象，随着1998年Ebbesen等人发现周期性小孔金属膜在特定波长下的异常透射显现，这使得亚波长金属光栅结构得到了推进。2008年，Landy等人进行了基于人造电磁材料的完美吸收器的研宄。2010年，Liu等人设计了工作频段在红外波段超材料吸收器。直至今日，已经知悉8μm到13μm波段是大气的窗口，这个波段的吸收器在红外探测技术、光子探测、红外成像、红外隐身、热发射、太阳能电池、生物传感，天文学、光谱学等领域扮演着重要角色。其中，提高红外探测器吸收层的吸收效率是提高探测器性能的一个重要手段，与此同时，与结合表面等离激元共振技术可应用于传感、滤波调制、表面增强拉曼散射等众多领域中。本文也可为长波红外偏振光谱探测的小型化、集成化，提供必要的偏振光谱分光方法。

目前在长红外波段的宽带吸收研究较多而窄带吸收的研究较少，目前现有技术中存在不能实现在长波红外7-14um区间得到整体的窄带吸收，以及宽入射角度和方位超广角条件下实现窄带高吸收，为此，我们采用了有限元分析法，在光栅结构上提出一种基于表面等离子激元共振原理的偏振光敏感亚波长光栅MDM结构，解决了在长红外波段具有可调的宽角度和窄带高吸收的，同时在只改变占空比或周期的参数值，其余结构膜层的参数值均不变的情况下，便可在长波红外波段调节吸收峰值的中心波长，随占空比或周期的不断增大，光谱吸收曲线呈红移现象，同时在多方位角(0°-90°)条件下均可实现宽角度、窄带高吸收。因此，本文提出一种适用于长红外波段的亚波长光栅MDM结构的偏振光敏感可调的宽角度、窄带高吸收增强器件，在多领域工程应用中具有重要的研究价值与意义。

本发明的结构在多方位角的扩展情况下，为了提高红外偏振光谱探测***的能量收集效率，往往需要采用大相对孔径的镜头设计，因此需要探测器能够对宽角度入射的光实现高吸收率与高效率响应，可以突破以往狭缝式光谱仪的限制，大幅提高偏振光谱探测***的能量利用率。利用该结构所具有的光学特性，可大幅降低微纳加工的难度和复杂度,并高效的加工制备出多组不同长波红外窄带吸收器。故本发明提出的一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器具有偏振敏感、宽角度、方位超广角、窄带高吸收以及工作波长可调节等优点，为适合于红外探测技术、红外成像、红外隐身、热发射、生物传感，光谱学等领域中进行集成应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：包括硫化锌基底，所述硫化锌基底的底部镀制用铝膜，所述硫化锌基底上部镀制由下至上依次为铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层，所述光栅结构层呈梯形结构。

优选的，在硫化锌基底的上部表面首先利用掩模光刻工艺光刻出光栅结构。

优选的，将铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜分别镀至结构表面后，利用lift-off工艺流程，其中，分别将每一层膜镀制完成后，便将基底条带放入去胶液中浸泡，将条带以外的薄膜连同光刻胶剥离掉，往复多次在硫化锌基底上部由下至上镀制铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层。

优选的，在光刻工艺流程中，需要耗费较长时间来完成去胶后重复做光刻的工艺，从而保证结构的完整性。

优选的，将制备好的光刻图形的基底放入真空镀膜设备中，同时设备放入需要的镀膜靶材，靶材和通入腔室内的气体经过反应形成所需要的介质薄膜和金属薄膜，然后一层层的沉积在基底表面，通过控制介质薄膜和金属薄膜的沉积厚度，来达到结构所需的各层薄膜的厚度，从而完成结构的制备。同时精准控制光栅结构的梯形角度，从而实现梯形光栅结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用光刻、蚀刻和镀膜相结合的加工工艺的技术对MDM结构进行加工，获得全阵列下不同区域和波长的偏振光谱；在各结构薄膜厚度和材料不变的情况下，仅通过改变微纳结构的占空比或周期，即可实现吸收峰中心波长的平移调控，并在多方位角下实现超广角窄带高吸收，在全面阵区域内，针对多组条带微纳结构的同一膜层，可实现同时加工制备，克服了传统镀膜工艺中，因分时分区域多次镀膜所导致的镀膜次数的数量级增长，以及多条带异化镀膜相对平行度难以保证等难题；提高了加工效率，降低了全面阵区域内偏振光谱分光器件加工制备的难度和复杂性，具有创新意义。

附图说明

图1为本发明的梯形结构吸收器结构示意图；

图2为本发明的不同梯度的多层膜的梯形结构示意图；

图3为本发明的梯度夹角θ的吸收效率示意图；

图4为本发明的梯度夹角θ在入射角为0-90°条件下吸收效率示意图；

图5为本发明的梯度夹角θ在垂直入射条件下TM偏振吸收峰与方位角的关系示意图；

图6为本发明的梯度夹角θ在垂直入射条件下，不同占空比的吸收效率示意图；

图7为本发明的的梯度夹角θ在垂直入射条件下，不同周期的吸收效率示意图；

图8为本发明的加工工艺流程示意图

图中：1、硫化锌基底层；2、铝膜层；3、光栅结构层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1至8，本发明提供一种技术方案：一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，包括硫化锌基底1，所述硫化锌基底1的底部镀制用铝膜2,所述硫化锌基底上部镀制由下至上依次为铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层3，所述光栅结构层3呈梯形结构。

本实施例中，优选的，在硫化锌基底1的上部表面首先利用掩模光刻工艺光刻出光栅结构。

本实施例中，优选的，将铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜分别镀至结构3表面后，利用lift-off工艺流程，其中，分别将每一层膜镀制完成后，便将基底条带放入去胶液中浸泡，将条带以外的薄膜连同光刻胶剥离掉，往复多次在硫化锌基底上部由下至上镀制铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层3。

本实施例中，优选的，在光刻工艺流程中，需要耗费较长时间来完成去胶后重复做光刻的工艺，从而保证结构的完整性。

本实施例中，优选的，将制备好的光刻图形的基底放入真空镀膜设备中，同时设备放入需要的镀膜靶材，靶材和通入腔室内的气体经过反应形成所需要的介质薄膜和金属薄膜，然后一层层的沉积在基底表面，通过控制介质薄膜和金属薄膜的沉积厚度，来达到结构所需的各层薄膜的厚度，从而完成结构的制备。同时精准控制光栅结构的梯形角度，从而实现梯形光栅结构。

在保证原结构参数不变，结构两边以同一梯度进行仿真的情况下，通过调整结构两边的角度使结构产生不同的梯度，几何模型示意图如图2所示，几何模型(a)θ＝90°,(b)θ＝86°,(c)θ＝82°,(d)θ＝78°。

在垂直入射条件下，同一结构下，改变梯度夹角后得到θ＝90°时，在9um处有99.99％吸收效率；θ＝86°时，在8um处有96.19％吸收效率；θ＝82°时，在7um处有92.49％吸收效率；θ＝78°时，在6um处有97.89％吸收效率。如图3所示，图3(a)从右到左的波长依次指的是梯度夹角θ从90-102°的吸收效率，通过仿真分析得出，随着梯度夹角的减小，中心波长也随之蓝移。图3(b)为在垂直入射条件下，梯度夹角为θ＝90°,θ＝86°,θ＝82°,θ＝78°的吸收效效率。梯度夹角为(a)θ＝86°，(b)θ＝82°，(c)θ＝78°时，在入射角为0-90°条件下的吸收效效率，如图4与表1所示。梯度夹角为(a)θ＝86°，(b)θ＝82°，(c)θ＝78°时，在垂直入射条件下，TM偏振吸收峰与方位角的关系，如图5所示。

通过改变占空比所得到的吸收效率发现，随着占空比的增加中心波长发生红移现象。如图6所示，在垂直入射条件下，在梯度夹角为(a)θ＝86°，(b)θ＝82°，(c)θ＝78°时，图6中(a)(b)(c)为占空比值从左至右依次是0.45，0.47，0.5，0.53，0.56，0.58以及对应的曲线吸收效率。通过改变周期所得到的吸收效率发现，随着周期的增加中心波长发生红移现象。如图7所示，在垂直入射条件下，在梯度夹角为(a)θ＝86°，(b)θ＝82°，(c)θ＝78°时，图7中(a)(b)(c)为周期从左至右依次是3.7μm，3.9μm，4.1μm，4.3μm，4.5μm，4.7μm，4.9μm以及对应的曲线吸收效率。

在加工工艺流程中，首先清洗基底1，然后在清洗干净的基底晶体表面匀胶2(即均匀涂敷光刻胶)，进一步通过掩模光刻进行紫外曝光3得到光栅结构，利用去胶液将未被曝光的光刻胶洗掉，再进一步进行镀膜4，然后再利用lift-off工艺5进行剥离，然后往复多次在基底上进行多次镀膜得到梯形光栅结构层，如图8所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：包括硫化锌基底(1)，所述硫化锌基底(1)的底部镀制用铝膜(2),所述硫化锌基底(1)上部镀制由下至上依次为铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层(3)，所述光栅结构层(3)呈梯形结构。

2.根据权利要求1所述的一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：在硫化锌基底(1)的上部表面首先利用掩模光刻工艺光刻出光栅结构。

3.根据权利要求1所述的一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：将铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜分别镀至结构表面后，利用lift-off工艺流程，其中，分别将每一层膜镀制完成后，便将基底条带放入去胶液中浸泡，将条带以外的薄膜连同光刻胶剥离掉，往复多次在硫化锌基底上部由下至上镀制铝膜、硒化锌膜、铝膜、锗膜、铝膜的光栅结构层(3)。

4.根据权利要求1所述的一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：在光刻工艺流程中，需要耗费较长时间来完成去胶后重复做光刻的工艺，从而保证结构的完整性。

5.根据权利要求1所述的一种偏振光敏感长波红外亚波长光栅MDM梯形结构吸收器，其特征在于：将制备好的光刻图形的基底放入真空镀膜设备中，同时设备放入需要的镀膜靶材，靶材和通入腔室内的气体经过反应形成所需要的介质薄膜和金属薄膜，然后一层层的沉积在基底表面，通过控制介质薄膜和金属薄膜的沉积厚度，来达到结构所需的各层薄膜的厚度，从而完成结构的制备， 同时精准控制光栅结构的梯形角度，从而实现梯形光栅结构。

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