[發明專利]手性對稱結構超表面圓偏振光檢測元件及其制備方法

在審

• 申請號: 202110097917.8
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112881302A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 董延更;胡敬佩;張沖;曾愛軍;黃惠杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種手性對稱結構超表面圓偏振光檢測元件，包括透光基底和位于透光基底上的旋轉對稱介質結構層，所述的介質結構層由兩個半圓柱構成的旋轉對稱結構陣列構成。本發明可以通過電子束曝光和顯影技術以及離子束刻蝕等工藝流程制得。該元件在1.54μm具有很強的圓偏振二色性，達到94.3％，消光比大于45:1，偏振透過率大于95％，同時其結構簡單，性能優異，易于制作，在光學傳感、光學成像等領域具有很大的應用價值。

技術領域

本發明涉及偏振光學檢測元件，具體涉及一種超表面圓偏振光檢測元件及其制備方法。

背景技術

偏振成像技術是光學領域的一種新技術，光的偏振特性能夠提供目標的光強圖像無法顯示的表面粗糙度、紋理走向、表面取向、表面電導率、材料理化特征、含水量等特征，對物體輪廓和表面去向識別具有明顯的優越性，偏振成像技術在大氣、自然地物、人工目標、醫學診斷以及天文學探測領域具有廣泛應用。例如：對隱藏或偽裝目標探測；對不同物質檢測；模糊輪廓(指紋、碑文等)識別；煙霧環境去霧成像；進行癌癥、燒傷等醫學診斷；用于星載或機載遙感等。

在偏振光成像中，圓偏振光在大顆粒散射介質中具有獨特的優勢，如在水底、煙霧、云層以及生物組織中圓偏振光的成像質量要優于線偏振光。目前探測圓偏振光最常見的辦法是在探測器前加線偏振片和四分之一波片，這種辦法器件多、體積大并且穩定性差、靈敏度低，因此難以小型化和集成化。

隨著含表面等離子波的亞波長結構器件與技術的發展，許多課題組在利用納米微結構區分左右旋圓偏振光方面做了大量的研究工作。例如公開號為CN101852884B和CN101782666B專利文獻通過在介質基地上放置周期性的雙螺旋狀和螺旋狀金屬線來實現對左旋和右旋圓偏振光的選擇性透過。但是，這些圓偏振檢測單元消光比小、透過率低難于加工。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術不足，提供一種手性結構超表面圓偏振光檢測元件及其制備方法。該元件為結構簡單的二維結構，不僅易于加工，而且由更高的透過率和消光比。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：

一種手性對稱結構超表面圓偏振光檢測元件，其特點在于，包括透光基底和位于該透光基底上的介質結構層，所述介質結構層由刻蝕形成的旋轉對稱手性結構單元陣列組成，每個旋轉對稱手性結構單元包括兩個刻蝕凹陷的半圓柱，且兩個半圓柱沿著半圓柱面在直徑方向錯位構成旋轉對稱圖形。

所述的旋轉對稱手性結構單元由兩個等大的半圓柱構成，半圓柱的的周期P為0.91-0.92μm，刻蝕深度H的變化范圍為0.21～0.22μm，圓柱的底面半徑R的范圍為0.23μm，兩半圓柱圓心距L為0.33-0.36μm.

各個旋轉對稱手性介質結構單元之間等間隔排列。

所述的透光基底的材料為二氧化硅，所述的介質結構層的材料為硅、鍺或砷化鎵半導體材料。

所述的旋轉對稱手性介質結構單元的刻蝕深度和所述介質結構層的厚度一致。

本發明進一步公開了上述超表面圓偏振光檢測元件的制備方法，包括如下步驟：

(1)利用化學氣相沉積法在透光基底上生長需要的介質結構層。

(2)在半導體材料介質層上旋涂一層光刻膠負膠；

(3)制作對應掩模版，利用電子束曝光顯影技術對光刻膠進行曝光；

(4)利用反應離子束工藝刻蝕半導體材料介質層，得到目標結構，并清洗殘余光刻膠后得到超表面圓偏振光檢測元件。

相對于現有技術，本發明具有下列優點：

1.本發明原料為二氧化硅和硅，材料來源廣泛、價格便宜。在加工方面，工藝成熟，精度高，誤差小，制備簡單，良品率高，可以進行大規模批量生產。