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多取向像素式纳米光栅的设计与制备技术研究

【摘要】:近年来,随着纳米技术的不断发展,人们在微纳光子科学与技术领域取得了长足的进步。纳米光子元器件在器件微型化和集成化以及功能拓展和效率提升方面有着许多现实应用。本文对面向偏振成像的多取向像素式纳米光栅的设计及制备技术进行了研究。提出了一种应用于中红外波段(3μm-5μm)的多取向像素式纳米光栅器件。利用等效介质理论和时域有限差分的数值计算方法,详细研究了器件在工作波段的偏振传输特性,并利用现代光刻技术成功制备了基于亚波长双层金属光栅的像素式微型线偏振阵列。主要工作包括:(1)详细研究了亚波长双层纳米金属光栅的理论和设计方法。设计并优化了一种具有高传输效率、高偏振特性的双层纳米金属光栅。此结构设计的主要亮点是在工作波段具有高折射率的硅基底界面层上引入了一层低折射率的介质层,并在介质层表面集成金属/介质双层纳米光栅的复合结构。该结构不仅可以有效提高光的传输效率,而且可以有效提高器件的消光比,同时还无需刻蚀金属,从而大大降低了制作工艺的难度。利用时域有限差分法对光栅参数进行计算和模拟优化,计算结果表明我们设计的亚波长双层纳米金属光栅不仅能够在中红外波段保持较高的TM光透过率(90%)和消光比(60dB),而且能够显著放宽对金属/介质光栅的占空比的要求,大大提高了制作工艺容忍度。(2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束曝光光刻(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸发镀膜(E-beam evaporator)等技术实验制作了阵列规模为3203256的多取向(偏振方向分别为0°,45°,90°以及135°)的周期为280nm的双层金属光栅阵列,并且自主搭建检测光路测试了样品的偏振和传输性能。实验测试结果显示在中红外波段(3μm-5μm)TM光透过率总体大于80%,消光比为~40dB。我们分析和探讨了实验测量结果与的理论计算结果之间的差异的原因,分析了实验过程中的不足并给出了改进方法。(3)为探索器件的高效制造的可行性,提高器件的制作效率与成功率,研究了纳米压印技术在多取向像素式纳米光栅制备上的应用。利用电子束曝光光刻(EBL)以及感应耦合离子刻蚀(ICP)等工艺制备了可重复使用的多取向像素式纳米光栅纳米压印硅模板。初步验证了利用纳米压印工艺制备上述器件的可行性。

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