一种全彩色全息的微纳集成器件及其制作方法与流程

本发明涉及微纳光学及光学全息技术领域，特别是涉及一种全彩色全息的微纳集成器件及其制作方法，可用于防伪和集成显示行业。

背景技术：

彩色全息显示技术是全息显示技术发展的重要目标，生成彩色全息图的方法主要有光全息图、数字全息图、计算机生成全息图等，一般需要考虑彩色全息显示系统空间光路调制器的选择和多波长激光照射下的相位调制特性问题。传统的彩色全息显示技术需要通过干涉光记录实际物体来获取目标全息图，光路系统结构复杂且不能实现现实中不存在物体的重建，在实际生产中的应用受到了巨大的约束，目前的彩色全息显示技术主要通过计算全息技术以及亚波长结构、等离激元等组成的结构器件对空间光的振幅以及相位进行调制，但实际获得的彩色全息图受到加工精度、基色全息图之间的串扰、全息板编码材料、环境温度等的影响，给彩色全息的完美显示以及生产应用带了巨大的困扰，难以满足电子消费产品日益增长的需求，因此迫切需求新技术的突破。

近些年，一种厚度小于波长的人工层状材料，被称为超表面(metasurface)的结构成为科研热点。这种结构可以实现对电磁波的振幅、相位、偏振、极化方式、传播模式等进行人为的灵活的调控，基于广义斯涅尔定律，使得利用亚波长结构对光的有效调控成为现实，其灵活的结构设计和新颖的机制具有广阔的应用前景。目前基于超表面的彩色显示技术存在制作工艺复杂、高损耗、难集成、重复利用率极低的缺点，因此急切需要一种低损耗的高集成超表面器件，以达到商业应用的标准。

名词解释：

fp腔：fabry-pérot(f-p)共振腔，其结构表现为上下两层金属由一层光学透明电介质薄膜隔开，基于薄膜干涉效应通过设计许多由金属、介电层堆积而成的多层膜结构体系获得各种各样的颜色，包括反射色和透射色。

g-s算法：盖师贝格-撒克斯通算法，是1971年由gerchberg和saxton首先提出，用于解决相位恢复问题，在物平面和谱平面之间来回迭代进行傅里叶变换。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种全彩色全息的微纳集成器件及其制作方法，采用光刻制造技术，制造出的全彩色全息集成器件具有加工精度高、工艺简单、低损耗、易集成、可重复利用、难以仿造、良好的显示效果以及多重显示等优势，并且本发明获得器件具有小型化、便携式的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种全彩色全息的微纳集成器件，包括介质衬底，所述介质衬底上固定有第一层金属薄膜，第一层金属薄膜上固定有灰度氧化硅台阶，灰度氧化硅台阶上固定有第二层金属薄膜，第二层金属薄膜上成形有若干fp腔；第二层金属薄膜上包裹有氧化硅包覆层，氧化硅包覆层上固定有亚波长二台阶方形结构。

进一步的改进，所述介质衬底包括石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底和金刚石衬底。

进一步的改进，所述第一层金属薄膜厚度h1为5～60纳米，第二层金属薄膜的厚度h2为5～60纳米，第一层金属薄膜上的灰度氧化硅台阶的宽度l为100纳米到1000微米。

进一步的改进，所述二台阶方形结构的排列规则根据g-s算法生成的相位分布设计。

一种全彩色全息的微纳集成器件的制作方法，包括如下步骤

步骤一、下层fp腔的制备：

选择介质衬底，在介质衬底上沉淀第一金属薄膜，然后在第一金属薄膜上涂布正型光刻胶、烘烤，使用光刻技术曝光显影；然后涂布负型光刻胶，使用套刻工艺对负型光刻胶进行灰度曝光得到灰度氧化硅台阶；然后在灰度氧化硅台阶上沉淀第二层金属薄膜，形成带有fp腔的金属薄膜；

步骤二、亚波长二台阶方形结构的制备：在第二层金属薄膜上涂布负型光刻胶，使用光刻技术曝光负型光刻胶使得负型光刻胶形成氧化硅包覆层然后涂布正型光刻胶，烘烤，利用套刻工艺对正型光刻胶进行曝光显影，得到亚波长二台阶方形结构即制得微纳集成器件。

进一步的改进，所述正型光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯和zep；所述负型光刻胶包括hsq负型光刻胶。

进一步的改进，所述正型光刻胶的烘烤温度为50～90℃，烘烤时间大于1min。

进一步的改进，所述光刻技术包括电子束曝光技术、紫外或者极紫外曝光技术和纳米压印技术；光刻技术的显影时间为1分钟以上。

进一步的改进，所述二台阶方形结构的排列规则根据g-s算法生成的相位分布设计与fp腔集成。

本发明的优点：

本发明通过第一金属薄膜、灰度氧化硅台阶、第二金属薄膜组成fp腔实现对可见光的窄带滤色响应，再通过上层的亚波长台阶结构对入射波前的相位进行人为的调控，由于使用二台阶，加工的复杂程度降低，稳定性和鲁棒性得到提高；一方面白光透过该器件形成任意多彩色图案，另一方面使用红、绿、蓝三色激光照射集成的器件，在透射场相互融合形成任意复杂的全彩色全息；该器件的制备过程主要包括两大部分：灰度曝光和套刻。相比较现有的超表面彩色全息器件而言，本发明具备加工制作过程简单、透射效率极高、成本低、集成度高，可重复利用等优点，具有防伪和集成显示等功能。

附图说明

图1为本发明全彩色全息的微纳集成器件的结构具体示意图；图1中，1-1、石英衬底，1-2、金属薄膜，1-3、灰度氧化硅台阶，1-4、金属薄膜，1-5、氧化硅包覆层，1-6、亚波长台阶结构。

图2为本发明全彩色全息的微纳集成器件的制备工艺流程图；

图3为实施例在显微镜下观察到的彩色图案；

图4是实施例所得红光单色全息仿真效果图；

图5是实施例所得绿光单色全息仿真效果图；

图6是实施例所得蓝光单色全息仿真效果图；

图7是实施例所得彩色全息仿真效果图；

图8为微纳集成器件的使用方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，为本发明全彩色全息的微纳集成器件的制备结构示意图和工艺流程图，该方法包括如下步骤：

(1)设计版图，包括fp腔版图和最上层全息结构排列版图；

(2)清洗石英片，沉积一层金属薄膜；

(3)在沉积金属后的片子上涂布光刻胶a，曝光显影；

(4)沉积一层金薄膜，剥离，制作标记；

(5)涂布光刻胶b，根据步骤(1)中的fp腔版图结构曝光，制作灰度氧化硅台阶；

(6)沉积第二层金属薄膜，然后涂布光刻胶b，曝光显影，制作包覆保护层；

(7)涂布光刻胶a，根据步骤(1)中的最上层全息结构排列版图结构曝光。

如图3所示，根据rgb颜色匹配算法，由目标图像得到加工版图，制备得到的三色fp腔效果图，根据所得到的版图中三色分布，然后结合集成，确定最上层全息结构版图。

如图4、图5、图6所示，首先根据颜色配比理论分解出目标图像的红光、绿光、蓝光分量，确定红光的主波长633纳米、红光的主波长532纳米、红光的主波长450纳米，运用g-s算法，分别反算出位相板上的相位分布，即得到各分量在所对应fp腔上的结构排列方式，然后分别得到单色全息仿真效果图。

如图7所示，根据本发明红光、绿光、蓝光得到的单色全息仿真效果图合成得到全彩色全息效果图。