一种超材料反射膜及其制作方法与流程

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种超材料反射膜及其制作方法。

背景技术：

随着社会的发展以及人们生活水平的提高，光电子器件正逐渐向小型化、多功能、集成化的方向发展。目前，紫外反射镜在紫外光刻、天文观测、等离子体诊断等领域得到了广泛的应用。目前，传统的反射膜存在偏振敏感的问题，极大地制约了其的应用

技术实现要素：

本发明通过提供一种超材料反射膜及其制作方法，解决了现有技术中反射膜偏振敏感的技术问题。

本发明提供了一种超材料反射膜，包括：衬底及超材料层；所述超材料层包括多个共振单元，所述多个共振单元周期性分布在所述衬底上；每个所述共振单元均为圆对称结构和/或球对称结构。

进一步地，相邻的所述共振单元在所述衬底上的间距是相等的。

进一步地，所述每个共振单元的形状为圆环形和/或圆柱形。

进一步地，所述超材料层的构成成分是等离子物质。

进一步地，所述超材料层的构成成分是金属和/或具有等离子性质的半导体。

进一步地，所述衬底的材料是本征半导体材料或介质材料。

本发明还提供了一种超材料反射膜的制作方法，所述方法包括：

在所述衬底上涂覆光刻胶；

将预先设置的掩模板放置在所述光刻胶上；

对放置有掩模板的光刻胶进行曝光以及显影，得到图形化的光刻胶层；

将所述掩模板移除；

在所述衬底的设置有所述图形化的光刻胶层的表面制备等离子体膜；

将所述光刻胶层剥离，制备出所述超材料反射膜的超材料层，其中，所述超材料层包括多个共振单元，所述多个共振单元周期性分布在所述衬底上；每个所述共振单元均为圆对称结构和/或球对称结构。

进一步地，所述等离子体膜为金属膜。

进一步地，在所述衬底的设置有所述图形化的光刻胶层的表面制备等离子体膜之前，还包括：

对所述衬底和所述等离子体膜材料进行预处理。

进一步地，所述对所述衬底和所述等离子体膜材料进行预处理，包括：

对所述衬底进行加热；

对所述等离子体膜材料进行预热。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

通过包括周期性分布的“圆对称结构和/或球对称结构”的共振单元的超材料层，使入射电磁波垂直入射到超材料时，能够对不同偏振态电磁波有一致的反射效果，从而解决了现有技术中反射膜偏振敏感的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超材料反射膜的正面示意图；

图2为本发明实施例提供的超材料反射膜的侧面示意图；

图3为本发明实施例提供的超材料反射膜的制作方法的流程图；

图4为实施本发明实施例提供的超材料反射膜的制作方法的效果图；

图5为本发明实施例提供的超材料反射膜的反射谱和透射谱。

其中，1-衬底，2-共振单元。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种超材料反射膜及其制作方法，解决了现有技术中反射膜偏振敏感的技术问题。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

通过包括周期性分布的“圆对称结构和/或球对称结构”的共振单元的超材料层，使入射电磁波垂直入射到超材料时，能够对不同偏振态电磁波有一致的反射效果，从而解决了现有技术中反射膜偏振敏感的技术问题。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1和图2，本发明实施例提供的超材料反射膜，包括：衬底1及超材料层；超材料层包括多个共振单元2，多个共振单元2周期性分布在衬底1上。

具体地，相邻的共振单元2在衬底1上的间距是相等的。

为了使入射电磁波垂直入射到超材料时，能够对不同偏振态电磁波有一致的反射效果，每个共振单元2均为圆对称结构和/或球对称结构。也就是说，可以全部共振单元2均为圆对称结构或球对称结构，或一部分共振单元2为圆对称结构，另一部分的共振单元2为球对称结构。

具体地，每个共振单元2的形状为圆环形和/或圆柱形。也就是说，可以全部共振单元2的形状均为圆环形或圆柱形，或一部分共振单元2的形状为圆环形，另一部分的共振单元2的形状为圆柱形。

为了能够激发并增强电磁波的反射效果，超材料层的构成成分是等离子物质。

具体地，超材料层的构成成分是金属和/或具有等离子性质的半导体。也就是说，可以全部超材料层的构成成分均是金属或具有等离子性质的半导体，或一部分超材料层的构成成分是金属，另一部分超材料层的构成成分是具有等离子性质的半导体。其中，若利用金属(如铅、锡等)制作超材料层，则可以制备出紫外偏振不敏感的超材料。

在本实施例中，衬底1的材料是本征半导体材料或介质材料。

参见图3和图4，本发明实施例提供的超材料反射膜的制作方法，所述方法包括：

步骤s310：在衬底1上涂覆光刻胶；

具体地，在衬底1上，均匀旋转涂覆光刻胶(正胶)。

为了去除衬底1表面的灰尘、油迹和离子颗粒等物质，使后续光刻胶能够均匀铺展到衬底1表面，先把衬底1放入装有去离子水的容器中，在超声波震荡下清洗3分钟，取出来后用氮气枪吹干；然后浸泡入装有甲醇的容器中，同样利用超声波震荡清洗3分钟，氮气枪吹干；之后放入装有丙酮的容器中，超声波清洗3分钟，氮气枪吹干；再在甲醇溶液中超声波清洗，最后用去离子水清洗，吹干。

步骤s320：将预先设置的掩模板放置在光刻胶上；

对本步骤进行具体说明：

利用电子束光刻超材料反射膜互补图案，结合图案制备掩模版，并将掩模板平置在光刻胶上。

步骤s330：对放置有掩模板的光刻胶进行曝光以及显影，得到图形化的光刻胶层；

对本步骤进行具体说明：

正向曝光，将曝光后的带有光刻胶的衬底1放入显影液中显影，获得与掩膜板相似的圆孔。

步骤s340：将掩模板移除，并清洁衬底1的表面；

步骤s350：在衬底1的设置有图形化的光刻胶层的表面制备等离子体膜；

在本实施例中，等离子体膜为金属膜。

对本步骤进行具体说明：

将显影后的衬底1蒸镀沉积金属膜，使金属膜涂覆在衬底1上。

其中，将显影后的衬底1蒸镀沉积金属膜，包括：

将显影后的衬底1在高真空中蒸镀沉积金属膜。

对本发明实施例提供的超材料反射膜的制作方法进行进一步说明，在衬底1的设置有图形化的光刻胶层的表面制备等离子体膜之前，还包括：

对衬底1和等离子体膜材料进行预处理。

具体地，对显影后的衬底1进行加热，以去除水分和增强膜基结合力，并使表面吸附的气体脱附。对等离子体膜材料进行预热，使当在后续高温加热时，镀膜材料能够更加均匀地蒸镀到基底表面。

步骤s360：将光刻胶层剥离，制备出超材料反射膜的超材料层，其中，超材料层包括多个共振单元2，多个共振单元2周期性分布在衬底1上，每个共振单元2均为圆对称结构和/或球对称结构。

具体地，将蒸镀后的衬底1表面残留的光刻胶清洗干净，并吹干。

对本步骤进行具体说明：

用负胶清洗液把衬底1表面残留的光刻胶清洗干净，再用氮气枪吹干，即可获得所需的超材料反射膜。其中，衬底1的材料是硅。

下面通过一个具体的实施例对本发明进一步详细说明：

参见图1和图2，本发明实施例提供的超材料反射膜由金属超材料物质和衬底1两部分组成。其中，金属超材料物质是由周期分布的圆柱体(圆柱体即为超材料的共振单元2)构成。具体地，圆柱体是由金(au)元素构成，圆柱体的直径d＝60nm，厚度为tm＝80nm。x/y轴方向单元周期长度分别为px和py，设定为px＝py＝160nm。衬底1采用si半导体材料构建，衬底1的厚度为ts＝100nm。

工作原理：电磁波沿着垂直于xoy面入射到超材料反射膜，在超材料强烈电磁共振的作用下产生高反射。入射电磁波正向入射反射膜，即入射电场在xoy平面内。由于超材料共振单元2的对称性，对任意方向入射电场(偏振态电磁波)的感知是一样的，因此，从而实现了一种偏振不相关(不敏感)的超材料反射膜。

通过软件仿真获取了上述超材料反射膜的反射谱和透射谱，如图5所示。由于超材料的电磁共振，所述超材料反射膜对275nm-300nm波长范围内电磁反射尤为明显，反射率接近70％。

【技术效果】

1、通过包括周期性分布的“圆对称结构和/或球对称结构”的共振单元2的超材料层，使入射电磁波垂直入射到超材料时，能够对不同偏振态电磁波有一致的反射效果，从而解决了现有技术中反射膜偏振敏感的技术问题。

2、本发明实施例利用超材料的电磁共振特性，可解决光谱级次叠加干扰的问题，尤其是紫外波段的光谱级次叠加问题，同时还可避免光栅中高级次衍射峰在解谱过程中对低级衍射峰干扰等问题的出现。本发明实施例充分利用超材料的电磁共振特性，合理地设计超材料结构单元的形状，从而可有效缓解电磁波的共振吸收蓄热导致温度上升引起的工作不稳定现象。此外，结合超材料共振特性的灵活调节机制，可综合应用多种调控方式(如调整超材料单元的结构和形状等)可自由调控超材料反射膜的反射特性，从而降低工艺过程中材料的苛刻要求及制作的难度。

3、超材料的构成成分是等离子物质，从而能够激发并增强电磁波的反射效果。

4、在本发明实施例提供的制作方法中，对显影后的衬底1和等离子体膜材料进行预处理，不仅可提高后续工艺的可靠性，而且还能增强光器件工作时的稳定性。

本发明实施例的目的是为了解决现有传统反射镜存在的衍射叠加干扰、制作要求高、工作稳定性差、性能差和偏振敏感等问题而提出一种紫外波段的电磁偏振不敏感超材料反射膜及其制作方法。本发明实施例提供的紫外金属超材料反射膜能够应用于入射电磁波波长为紫外波段的情况。本发明实施例在相应的光学系统领域具有重要的应用价值。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。