一種可用於光束整形的金屬槽縫結構的製作方法

2023-07-10 22:08:41

專利名稱：：一種可用於光束整形的金屬槽縫結構的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種可用於光束整形的金屬槽縫結構的電磁輻射調製特性，可以實現以o度角方向為中心在任意的角度範圍內電磁強度均勻分布的遠場輻射。
背景技術：
：對於金屬表面槽縫結構與光波相互作用的過程及其定向輻射物理機制的研究主要從2002年開始，當時H.J.Lezec等人發現了一個關於亞波長結構對電磁能量輻射控制的奇異現象。他們發現，在光波通過周圍有亞波長褶皺的金屬小孔時，透過光束的傳輸方向可以得到非常有效的控制。W.L.Barnes於2003年在《Nature》上撰寫了一篇綜述文章，高度評價了該發現的重要意義。他認為，這種亞波長結構化的表面結構，不僅揭示了金屬結構在更小尺度下的異常電磁行為，而且為發展下一代的集成化、小型化光學器件提供了一個全新的思路，它特有的光束準直特性也為光子學向亞波長領域發展提供了一條便捷的途徑。其機理可以歸結為入射波通過狹縫後，一部分電磁波直接輻射出去，而另一部分則耦合到出射面的周期溝槽中，亞波長溝槽內存在一定的電磁模式，並且會產生二次輻射，總的輻射場是中心狹縫的直接透射與周期溝槽二次輻射的疊加。當所有溝槽與狹縫之間滿足同相匹配時，能夠得到方向性最好的定向輻射光束。近幾年來，國際上多個研究小組對該結構的輻射特性一級機理進行了深入的研究和分析。目前，工程上通常採用設計透鏡系統來實現光束的整形，該方法的缺點是通常設計過程比較複雜，並且作為一個多元件組合的系統，其透鏡間距等必須有精確的要求，這就必然導致其不便於集成。本發明採用平面刻蝕金屬槽縫結構的方法，其結構緊湊，便於光學器件的集成，且設計方法比較簡單。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，利用調節溝槽位相分布，從而實現以O度角方向為中心，在任意的角度範圍內實現強度均勻分布的遠場輻射。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其製作步驟如下(1)選擇矽基片，並將矽基片表面拋光；然後在矽基片表面濺射沉積一層厚度在所需半波長量級的金屬膜；(2)採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕多個溝槽；(3)—邊溝槽達到一定數量後，再將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期；將金屬層刻透，形成一條縫隙；(4)再沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量的溝槽，一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成。所述步驟(2)中的溝槽寬度為0.11倍波長。所述步驟(2)中的溝槽的深度為0.17倍波長-0.19倍波長。所述步驟(2)中的移動周期和步驟(4)中的移動周期相同，均為0.53倍波長-O.85倍波長。所述步驟(2)中的溝槽數量為20個。所述步驟(3)中縫隙的寬度為0.11倍波長。所述步驟(3)中移動周期為0.53倍波長-0.85倍波長。所述步驟(4)中溝槽的寬度為0.11倍波長。所述步驟(4)中溝槽的深度為0.17倍波長-0.19倍波長。所述步驟(1)中的金屬膜為鋁膜或銅膜。本發明與現有技術相比所具有的優點本發明從電磁場模式匹配理論出發，立足於光柵理論，通過設計溝槽周期的大小來控制輻射的角譜範圍(即光柵一級衍射角譜範圍)，其角度範圍從0度到180度連續可控；然後，通過設計溝槽的深度來調節各溝槽中的位相分布(兩邊溝槽由外到內相鄰槽中的位相差不斷變小)，使得各溝槽的二次輻射在遠場疊加的效果為在輻射角譜範圍內均勻分布，實現以O度角方向為中心在任意的角度範圍內電磁強度均勻分布的遠場輻射。此外，本發明採用平面光刻技術來製作，相比於目前工程常用的折衍混合光學系統來實現光束整形來說，其結構簡單緊湊，製作方便。圖1是本發明第一步的製作示意圖；圖2是本發明第二步的製作示意圖；圖3是本發明第三步的製作示意圖；圖4是本發明第四步的製作示意圖；圖5是可用於光束整形的金屬槽縫結構的示意圖；圖6為通過模式匹配方法，仿真得到以上三個實施例的遠場角譜圖。圖中1為表面拋光的矽基底；2為濺射沉積的金屬膜。具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。實施例1:如圖1所示，本發明第一步的製作示意圖；首先選擇一塊矽基片l，並將其表面拋光，然後在拋光的矽基片1表面濺射沉積一層厚度為600nm的鋁膜2(本實施例採用1550nm波長的紅外光源)；如圖2所示，本發明第二步的製作示意圖；採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，溝槽寬度為170nm(0.11倍波長)，深度為284nm(0.183倍波長)，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕20個溝槽，移動周期為816nm(0.53倍波長)；如圖3所示，本發明第三步的製作示意圖；將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期，將金屬層刻透，形成一條縫隙，縫隙寬度與溝槽寬度相同；如圖4所示，本發明第四步的製作示意圖；沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量，同樣尺寸的溝槽，這樣一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成，如圖5所示。實施例2:如圖1所示，本發明第一步的製作示意圖；首先選擇一塊矽基片l，並將其表面拋光，然後在拋光的矽基片1表面濺射沉積一層厚度為600nm的鋁膜2(本實施例採用1550nm波長的紅外光源)；如圖2所示，本發明第二步的製作示意圖；採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，溝槽寬度為170nm(0.11倍波長)，深度為288nm(0.186倍波長)，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕20個溝槽，移動周期為1033nm(0.67倍波長);如圖3所示，本發明第三步的製作示意圖；將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期，將金屬層刻透，形成一條縫隙，縫隙寬度與溝槽寬度相同；如圖4所示，本發明第四步的製作示意圖；沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量，同樣尺寸的溝槽，一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成。實施例3:如圖1所示，本發明第一步的製作示意圖；首先選擇一塊矽基片l，並將其表面拋光，然後在拋光的矽基片1表面濺射沉積一層厚度為600nm的鋁膜2(本實施例採用1550nm波長的紅外光源)；如圖2所示，本發明第二步的製作示意圖；採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，溝槽寬度為170nm(0.11倍波長)，深度為262nm(0.17倍波長)，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕20個溝槽，移動周期為1292nm(0.83倍波長);如圖3所示，本發明第三步的製作示意圖；將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期，將金屬層刻透，形成一條縫隙，縫隙寬度與溝槽寬度相同；如圖4所示，本發明第四步的製作示意圖；沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量，同樣尺寸的溝槽。一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成。如圖6所示為通過模式匹配方法，仿真得到以上三個實施例的遠場角譜圖。從圖6可見，三個不同的實施例對應遠場輻射角寬不同，即輻射角寬可控，且在輻射的角度範圍內，均得到了近似均勻的輻射。具體數據如下表5tableseeoriginaldocumentpage6此處定義的零點角寬為圖6中第一輻射零點之間的角度範圍。權利要求一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述金屬槽縫結構的製作方法如下(1)選擇矽基片，並將矽基片表面拋光；然後在矽基片表面濺射沉積一層厚度在所需半波長量級的金屬膜；(2)採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕多個溝槽；(3)一邊溝槽達到一定數量後，再將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期；將金屬層刻透，形成一條縫隙；(4)再沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量的溝槽，一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成。2.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(2)中的溝槽寬度為0.11倍波長。3.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(2)中的溝槽的深度為0.17倍波長-0.19倍波長。4.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(2)中的移動周期和步驟(4)中的移動周期相同，均為0.53倍波長-0.85倍波長。5.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(2)中的溝槽數量為20個。6.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(3)中縫隙的寬度為0.11倍波長。7.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(3)中移動周期為0.53倍波長-0.85倍波長。8.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(4)中溝槽的寬度為0.11倍波長。9.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(4)中溝槽的深度為0.17倍波長-0.19倍波長。10.根據權利要求1所述的一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，其特徵在於所述步驟(1)中的金屬膜為鋁膜或銅膜。全文摘要一種可用於光束整形的金屬槽縫結構，包括以下步驟(1)選擇矽基片，並將其表面拋光；然後在其表面濺射沉積一層厚度在所需波長量級的金屬膜；(2)採用聚焦離子束光刻技術，在金屬膜的一端開始刻蝕溝槽，一個溝槽刻蝕完成後，向另一端周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複刻蝕多個溝槽；(3)一邊溝槽達到一定數量後，再將聚焦離子束的聚焦位置沿同一方向移動一個周期；將金屬層刻透，形成一條縫隙。(4)再沿同一方向周期性地移動聚焦離子束的聚焦位置，重複步驟(2)，刻蝕與步驟(2)中同樣數量的溝槽。一種可用於光束整形的金屬槽縫結構製作完成。本發明結構簡單、製作方便，可以實現以0度角方向為中心在任意的角度範圍內實現強度均勻分布的遠場輻射。這為微波和光頻段的遠場電磁輻射控制提供了新的方法和新的功能。文檔編號G02F1/00GK101726869SQ20091024353公開日2010年6月9日申請日期2009年12月25日優先權日2009年12月25日發明者馮沁,崔建華,李雄,羅先剛,趙澤宇申請人:中國科學院光電技術研究所