技术领域
[0001] 本
发明属于三维集成超表面器件领域，具体涉及一种实现交叉极化光的空间和
波长分离的三维集成超表面器件及其制备方法和应用。
背景技术
[0002] 超表面是指由周期性或非周期性的亚波长单元结构排布而成的人工电磁材料。目前，超表面得到了极大的发展和研究。大量研究表明，超表面可以实现对
电磁波的偏振、振幅、
相位以及传播模式等性质的有效调控。同时，超表面具有体积小、易于加工的特点，在微纳米尺度上可实现传统光学元件的功能，如全息成像、透镜、结构色、四分之一波片等。然而，这些超表面仅能实现一项特定的功能，无法实现对电磁波的多功能调控。
[0003] 近几年，三维集成超表面器件引起了研究人员的关注。现有的三维集成超表面器件的结构主要有两种，一种是在衬底两侧分别制备两种功能的超表面，另一种是多个超表面在垂直方向进行堆叠。三维集成的超表面可以实现多个波长或者多个功能的光学器件，增加设计
自由度，提高光学器件的集成度，实现紧凑的多功能器件。但是，现在的三维集成超表面器件的研究比较少，实现的多功能器件有限，无法实现电磁波在空间和波长上的分离。
发明内容
[0004] 因此，本发明的目的是针对上述研究技术中存在的
缺陷，提供一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件。
[0005] 在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
[0006] 术语“偏振转化”是指：光的不同偏振状态之间实现转换。
[0007] 术语“交叉极化光”是指：偏振方向与入射光的偏振方向垂直的光。
[0008] 术语“分束”是指：将一束光分解成两束或者多束光。
[0009] 术语“超表面”是指：超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。
[0010] 术语“PB相位”是指：电磁波偏振状态变化过程中伴随的一个额外相位，即交叉极化光具有的额外相位，又称Pancharatnam-Berry相位。PB相位和
纳米棒的旋转
角度满足2倍的线性关系。
[0011] 术语“双曲超表面”是指：色散特性为双曲线的超表面。
[0012] 术语“滤波超表面”是指：可以进行波长选择的超表面，它可以让特定波长的光通过，而除此波长以外的光被拒绝通过。
[0013] 术语“PMMA”是指：聚甲基
丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，是高度透明的热塑性材料。
[0014] 为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种三维集成超表面器件，所述三维集成超表面器件包括
自上而下依次设置：
[0015] 衬底；
[0016] 金属反射层；
[0018] 透明隔离层；和
[0019] 滤波超表面层；
[0020] 其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述双曲超表面层通过相位排布实现宽波段的圆偏振交叉极化光的异常反射，所述滤波超表面通过不同直径的金属圆孔结构实现交叉极化的异常反射光的分束。
[0021] 其中，所述相位调控的双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，纳米棒的方向按照一定的规律排布；所述滤波超表面为金属
薄膜上周期性的孔阵列结构且孔阵列具有不同的直径尺寸。
[0022] 根据本发明第一方面的三维集成超表面器件，其中，所述双曲超表面层为金属-介质多层堆叠的纳米棒阵列结构，所述纳米棒结构的
主轴方向按照一定的梯度旋转0～180°的角度排列；
[0023] 优选地，所述纳米棒结构的主轴方向旋转梯度为30°；即利用6个纳米棒结构依次旋转30°、60°、90°、120°、150°、180°实现0～180°的角度变化，从而实现0～2π的PB相位变化；
[0024] 更优选地，所述双曲超表面层具有2～5层金属-介质堆叠，优选为3层。
[0025] 根据本发明第一方面的三维集成超表面器件，其中，所述滤波超表面层为具有周期性的孔阵列结构的金属薄膜；
[0026] 优选地，孔阵列具有不同的直径尺寸的纳米圆孔结构；
[0027] 更优选地，所述圆孔的孔径为80～150nm。
[0028] 根据本发明第一方面的三维集成超表面器件，其中：所述衬底材料选自以下一种或多种：
石英、蓝
宝石、
硅；
[0029] 所述金属反射薄膜层材料选自以下一种或多种：金、
银、
铝，优选为金；
[0030] 所述双曲超材料层中的金属材料选自以下一种或多种：铝、金、银、掺铝
氧化锌，优选为银；
[0031] 所述双曲超材料层中的介质材料选自以下一种或多种：氧化锌、三氧化二铝、二氧化
钛、
二氧化硅，优选为氧化锌；
[0032] 所述透明隔离层材料选自以下一种或多种：二氧化硅、PMMA、氧化锌、二氧化钛；
[0033] 所述滤波超表面的材料选自以下一种或多种：金、银、铝；
[0034] 本发明的第二方面提供了第一方面所述的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0035] (1)在洁净的衬底上沉积金属薄膜作为光反射层；
[0036] (2)在步骤(1)所得的金属薄膜上依次沉积多层的介质和金属薄膜；
[0037] (3)在步骤(2)所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上
旋涂光刻胶，进行曝光，制备设计好的空间变化的纳米棒阵列图案；
[0038] (4)在步骤(3)所得结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱；
[0039] (5)将步骤(4)所得结构上进行
刻蚀，得到所述实现相位调控的双曲超表面。
[0040] (6)在步骤(5)所得结构上沉积透明隔离层；
[0041] (7)在步骤(6)所得结构上沉积金属薄膜；
[0042] (8)在步骤(7)所得的金属薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光得到设计好的周期性图案；
[0043] (9)在步骤(8)所得的光刻胶图案上进行刻蚀，得到所述的滤波超表面；和[0044] (10)在步骤(9)所得结构上去除残余的光刻胶，得到最终的三维集成超表面器件。
[0045] 根据本发明第二方面的制备方法，其中：步骤(1)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为
电子束
蒸发；
[0046] 步骤(2)中，所述沉积方法为物理沉积和/或化学沉积；优选地，金属材料采用
电子束蒸发法，介质材料采用
原子层沉积法；和/或
[0047] 步骤(3)中，所述曝光方法选自以下一种或多种：
电子束曝光、紫外曝光、激光直写、纳米压印，优选为电子束曝光。
[0048] 根据本发明第二方面的制备方法，其中：步骤(4)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为电子束蒸发；
[0049] 步骤(5)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、电感耦合
等离子体反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀；优选为离子束刻蚀；和/或[0050] 步骤(6)中，所述沉积方法选自以下一种或多种：物理沉积、化学沉积、旋涂；优选为旋涂。
[0051] 根据本发明第二方面的制备方法，其中：步骤(7)中，所述沉积方法为物理沉积或化学沉积，优选为磁控
溅射法；
[0052] 步骤(8)中，所述曝光方法选自以下一种或多种：电子束曝光、紫外曝光、激光直写、纳米压印，优选为电子束曝光；
[0053] 步骤(9)中，所述刻蚀方法选自以下一种或多种：离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀；优选为离子束刻蚀方法；和/或[0054] 步骤(10)中，所述去残胶方法选自以下一种或多种：丙
酮溶解法、
微波等离子体去胶、反应离子束刻蚀；优选为
微波等离子体去胶。
[0055] 本发明的第三方面提供了一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面设备，所述设备包括如第一方面所述的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件。
[0056] 本发明的第四方面提供了第一方面所述的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件在制备三维集成超表面设备和/或光的偏振转换或分束设备中的应用。
[0057] 本发明的目的是提供一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件，该器件可以在实现宽波段圆偏振转换的
基础上实现交叉极化光在空间和波长上的分离。
[0058] 本发明提供了一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件及其制备方法，所述的三维集成超表面器件包括：衬底材料；在所述衬底上沉积的金属反射层材料；在所述金属反射层上的双曲超表面；在所述双曲超表面上的透明隔离层；以及设置在所述隔离层上的滤波超表面。本发明将相位调控超表面和滤波超表面相结合，制备了多功能的三维集成超表面器件，实现交叉极化光的空间和波长的分离。此外该器件还具有集成度高、加工方法多样化的特点。
[0059] 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种可调的慢光器件的制备方法，其步骤包括：
[0060] S1.在洁净的衬底上沉积金属薄膜作为光反射层；
[0061] S2.在步骤S1所得的金属薄膜上依次沉积多层的介质和金属薄膜；
[0062] S3.在步骤S2所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上旋涂光刻胶，进行曝光，制备设计好的纳米棒阵列图案；
[0063] S4.在步骤S3所得结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱；
[0064] S5.将步骤S4所得结构上进行刻蚀，得到所述实现相位调控的双曲超表面。
[0065] S6.在步骤S5所得结构上沉积透明隔离层；
[0066] S7.在步骤S6所得结构上沉积金属薄膜；
[0067] S8.在步骤S7所得的金属薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光得到设计好的周期性图案；
[0068] S9.在步骤S8所得的光刻胶图案上进行刻蚀，得到所述的滤波超表面；
[0069] S10.在步骤S9所得结构上去除残余的光刻胶，得到最终的三维集成超表面器件。
[0070] 可选地，S1中所述的衬底为石英、
硅片、蓝宝石衬底等；所述金属材料具有极高反射率，为金、银、铝等。
[0071] 可选地，S2、S3、S4及S7中所述沉积为
化学气相沉积方法中的一种，也可以是物理沉积方法中的一种。
[0072] 可选地，S2中所述的金属材料为金、银、铝、掺铝氧化锌等，所述介质材料为氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝等。
[0073] 可选地，S4、S7中所述金属薄膜材料为金、银、铝或铬等。
[0074] 可选地，S3、S8及S10中所述光刻胶为电子束光刻胶中的一种，也可以是紫外光刻胶中的一种。
[0075] 可选地，S5、S9中所述刻蚀为
干法刻蚀技术中的一种，例如离子束刻蚀、反应离子束刻蚀等。
[0076] 可选地，S6中所述的透明隔离层指在使所需响应波段可以透过的材料，例如二氧化硅、PMMA等，可以将双曲超表面层和滤波超表面层隔离起来。
[0077] 可选地，S3、S8中所述的曝光可以通过电子束曝光、紫外曝光、激光直写、纳米压印等微纳加工技术实现。
[0078] 可选地，S10中所述去残胶方法选自以下一种或多种：丙酮溶解法、微波等离子体去胶法、反应离子束刻蚀，优选为微波等离子体去胶法。
[0079] 本发明的工作原理：该三维集成超表面器件通过将可以实现相位调控的双曲超表面和不同波长的
滤波器超表面集成在一起，实现交叉极化光的空间和波长的分离。首先，双曲超表面层的单元结构为矩形的三组“介质- 金属”对堆叠而成。该单元结构可以实现宽波段的圆偏振光的偏振转换，且反射效率和偏振转换效率极高。通过改变单元结构的旋转角并进行合理排布，实现对散射电磁波出射方向的任意调制，即实现了交叉极化光的空间分离，例如电磁波以“倒圆锥”的形状反射。其次，滤波超表面的单元结构为金属薄膜的纳米圆孔结构，不同直径的纳米圆孔结构(或者不同周期)可以使得不同波长的光透过。滤波超表面层由多个直径尺寸的纳米圆孔阵列组成，从而对宽波段的光进行分束。滤波超表面的具体排布分式和通过双曲超表面后的反射光的路径相关。所以，通过将可以实现相位调控的双曲超表面和不同波长的滤波器超表面集成在一起，可以实现交叉极化光的空间和波长的分离。
[0080] 本发明的器件性能，其特点在于，可以同时实现圆偏振光的交叉极化光在空间和波长上的分离。在本发明的一个优选
实施例中，三维集成超表面器件的尺寸参数如下：金属反射层厚度100nm。双曲超表面层中金属厚度为35nm，介质层厚度为25nm；单元结构的周期为400nm，矩形的长度和宽度分别为260nm和120nm。透明隔离层为500μm。滤波超表面的厚度为40nm，金属圆孔的周期为400nm且直径由80-150nm范围内变化。综上所述，本发明为一种三维集成超表面器件，通过将可以实现相位调控的双曲超表面和不同波长的滤波器超表面集成在一起，实现交叉极化光的空间和波长的分离。整个器件制备具有设计灵活、加工方法多样化的特点。器件性能具有多功能性、宽波段的优势。对于三维集成超表面器件的发展具有重要意义。
[0081] 本发明的多功能三维集成超表面器件可以具有但不限于以下有益效果：
[0082] 1.所述三维集成超表面通过将可以实现相位调控的双曲超表面和不同波长的滤波器超表面集成在一起，不仅实现对圆偏振光的偏振转换，而且可以实现对交叉极化光在空间和波长上的分离。
[0083] 2.所述三维集成超表面也可以将具有其他特定功能的超表面集成在一起，比如结构色和全息成像等，实现更多功能的三维集成器件，在功能设计上具有极大的自由度。
[0084] 3.所述三维集成超表面通过改变结构的尺寸，可以实现任意波段的交叉极化光在空间和波长的分离。
附图说明
[0085] 以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
[0086] 图1示出了本发明的实施例1中制备的三维集成超表面器件的工艺
流程图。
[0087] 图2示出了本发明的实施例1中按照图1中的工艺流程制备出的三维集成超表面器件的结构示意图和原理示意图。
[0088] 图3为实施例1得到的可相位调控的双曲超表面的同极化和转极化反射谱以及偏振转换效率谱(选择矩形单元结构的长和宽分别为260nm和 120nm)；其中图3(a)示出了同极化和转极化反射谱，图3(b)示出了偏振转换效率谱。
[0089] 图4示出了实施例1中不同圆孔直径的滤波超表面的透过谱。
[0090] 附图标记：
[0091] 1、衬底材料；2、金属反射层；3、双曲超表面中的介质层；4、双曲超表面中的金属层；5、光刻胶；6、透明隔离层。
具体实施方式
[0092] 下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0093] 本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
[0095] 材料或试剂列表：
[0096]材料或试剂 购自
JGS3光学石英衬底 东海县
艾谱光学石英厂
二甲基锌 南京爱牟源科学器材有限公司
PMMA光刻胶 北京汇德信科技有限公司
PMMA显影液(MIBK:IPA＝3:1) 北京汇德信科技有限公司
丙酮 国药集团化学试剂有限公司
[0097] 仪器列表：
[0098] 仪器 型号 购自
磁控溅射镀膜机 Peva-600E 中国台湾凯柏
原子层沉积系统 本研究所自研
电子束蒸发镀膜机 FU-12PEB 中国台湾富临科技工程股份有限公司
电子束曝光系统 JBX-6300FS 日本电子
离子束刻蚀机 LKJ-1D-150 北京埃德万斯离子束技术研究所
[0099] 实施例1
[0100] 本实施例用于说明本发明多功能的三维集成超表面器件的制备方法。
[0101] 图1示出了本发明的实施例1中制备的实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件的工艺流程图。
[0102] 步骤S1.在洁净的衬底1上沉积金属薄膜2作为光反射层；衬底可以是石英、硅、蓝宝石等；金属反射层要求其反射率接近数值1，例如金、铝、银等；所用的沉积方法可以是
物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。
[0103] 步骤S2.在步骤S1所得的金属薄膜上依次沉积多层的介质3和金属4 薄膜；所述的金属材料为金、银、铝、掺铝氧化锌等，所述介质材料为氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝等。所用的沉积方法依材料的性质决定，可以是物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。
[0104] 步骤S3.在步骤S2所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上旋涂光刻胶 5，进行曝光，制备设计好的多层纳米棒阵列图案；
[0105] 步骤S4.在步骤S3所得结构上沉积金属薄膜2，并进行溶脱；金属薄膜材料可以是金、铝、铬等；所用的沉积方法可以是物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。
[0106] 步骤S5.将步骤S4所得结构上进行刻蚀，得到所述实现相位调控的双曲超表面；所用的刻蚀方法为干法刻蚀中的一种或多种。
[0107] 步骤S6.在步骤S5所得结构上沉积透明隔离层6；透明隔离层用来实现双曲超表面和滤波超表面的隔离，且能够实现光的透过。透明隔离层材料可以是PMMA、二氧化硅、氧化锌、氧化钛等中的一种；沉积方法由材料的性质决定，可以是旋涂法、物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。
[0108] 步骤S7.在步骤S6所得结构上沉积金属薄膜2；金属薄膜材料可以是金、铝、铝等；所用的沉积方法可以是物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。
[0109] 步骤S8.在步骤S7所得的金属薄膜上旋涂光刻胶5，通过曝光等途径得到设计好的周期性图案。
[0110] 步骤S9.在步骤S8所得的光刻胶图案上进行刻蚀，得到所述的滤波超表面；所用的刻蚀方法是湿法刻蚀或干法刻蚀中的一种。
[0111] 步骤S10.在步骤S9所得结构上去除残余的光刻胶，得到最终的三维集成超表面器件。其中，去除残胶的方法可以是丙酮浸泡或干法刻蚀中的一种。
[0112] 下面结合具体的方法进行详细说明。
[0113] 按照图1所示的工艺流程制备一种实现交叉极化光的空间和波长的分离的三维集成超表面器件。
[0114] 步骤1.购买商业的1cm*1cm*0.5mm的JGS3石英衬底，利用电子束蒸发设备以0.2nm/s的速率沉积100nm的金薄膜作为光反射层。
[0115] 步骤2.利用原子层沉积系统和电子束沉积系统在步骤1所得的金属薄膜上依次沉积25nm的氧化锌薄膜和35nm的银薄膜，共沉积三组。其中，原子层沉积的
温度为120℃，所用的前驱体为二甲基锌和
水；电子束蒸发生长银的速率为0.2nm/s。
[0116] 步骤3.在步骤2所得的多层介质和金属堆叠的薄膜上旋涂电子束光刻胶PMMA，转速为4000rpm/min，然后置于180℃热板上
烘烤1min。利用电子束曝光系统在旋涂的光刻胶上进行曝光，制备设计好的空间变化的纳米棒阵列图案：利用电子束曝光系统进行曝光，曝光的单元结构为宽度和长度分别为120nm和260nm的矩形结构，单元结构的旋转角度及排布方式按照设计好的相位分布进行；纳米棒结构的主轴方向按照一定的梯度旋转0～180°的角度排列，旋转梯度为30°；即利用6个纳米棒结构依次旋转30°、60°、90°、120°、150°、180°实现0～180°的角度变化，从而实现0～2π的PB相位变化；选用曝光模式为100kV-500pA快速模式，选取剂量为1000uC/cm2，区域总面积80um2。曝光后，利用PMMA的显影液进行显影，利用异丙醇进行定影。
[0117] 步骤4.在步骤3所得结构上利用电子束蒸发系统沉积120nm的铝薄膜，沉积速率为0.3nm/s并在丙酮中进行溶脱；
[0118] 步骤5.利用离子束刻蚀设备将步骤4所得结构刻蚀5min，刻蚀的倾斜角为30°，离子束的
能量为300eV，所用气体为氩气，压强为19mTorr，得到所述实现相位调控的双曲超表面。
[0119] 步骤6.在步骤5所得结构上旋涂500μm的PMMA；
[0120] 步骤7.利用电子束蒸发设备在步骤6所得结构上沉积40nm的金薄膜；
[0121] 步骤8.在步骤7所得的金属薄膜上旋涂电子束光刻胶PMMA，转速 4000rpm/min，然后置于180℃热板上烘烤1min。利用电子束曝光系统在旋涂的光刻胶上进行曝光，制备设计好的空间变化的纳米圆孔结构，圆孔的直径从80-150nm范围内渐变；选用曝光模式为100kV-100pA精细模式，选取剂量为800uC/cm2。
[0122] 步骤9.将步骤8所得的光刻胶图案作为掩膜层，利用离子束刻蚀工艺刻蚀80s，刻蚀的倾斜角为30°，离子束的能量为300eV，所用气体为氩气，压强为0.19mTorr，得到所述的滤波超表面；
[0123] 步骤10.利用微波等离子体去胶机去除步骤9所得结构上的残余光刻胶，得到最终的三维集成超表面器件。
[0124] 图2为根据本实施例制备得到的三维集成超表面器件的结构示意图和原理示意图。从图中可以看出，该三维集成超表面器件的顶层为带有透光窗口的滤波超表面，底层为双曲超表面。当圆偏振入射光通过顶层透光窗口到达双曲超表面时，入射的圆偏振光通过双曲超表面的相位调制实现了异常反射且反射光发生偏振转换；异常反射的交叉极化光到达滤波超表面，通过滤波超表面实现了对光的空间和波长的分离。
[0125] 图3为根据本实施例得到的双曲超表面层的同极化和转极化反射谱以及偏振转换效率谱，具体的单元结构的长和宽分别为260nm和120nm，且单元结构不进行旋转。从图中可以看出该双曲超表面具有高转换效率和宽波段的偏振转换谱，通过旋转单元结构可以实现相位调控，从而实现对反射光方向的调控，即实现电磁波的空间分离。
[0126] 图4为根据本实施例得到的不同圆孔半径尺寸的滤波超表面的透过谱。从图中可以看出，通过改变圆孔尺寸可以改变透光光波的波长，从而实现对光的波长的分离。
[0127] 尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于
权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
