李姝億

摘 要：文章設(shè)計和制備基于斯托克斯矢量條件下的分焦平面金屬鋁納米光柵像素偏振片陣列，應(yīng)用電子束曝光EBL和感應(yīng)耦合等離子體ICP技術(shù)在占空比為0.5相同條件下，制備周期為100nm-400nm，線寬為50nm-300nm，每相鄰2×2單元的透偏振方向為00，450，1350， 900的金屬鋁納米光柵偏振片陣列。通過電子掃描顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)形貌，表征測量偏振片性能參數(shù)消光比和透射率。

關(guān)鍵詞：偏振片陣列；鋁納米光柵；消光比；最大透射率

1 概述

光有三個基本特性，如光強(qiáng)，波長和偏振。第一個人們可以檢測的信息是可見光的振幅黑白圖像被稱為光的強(qiáng)度也表示振幅。第二個波長代表頻率可以檢測到彩色圖像信息。第三個光的偏振特性被用于偏振成像技術(shù)。因而偏振成像技術(shù)在地質(zhì)勘探[1]、海面目標(biāo)探測[2]、指紋識別、生物醫(yī)學(xué)和空間探測[3，4]等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景和價值。

現(xiàn)代先進(jìn)的偏振探測方法大致包括以下四項：分時測量、分振幅測量、分孔徑測量和分焦平面測量。其中分焦平面偏振探測器是由集成在同一基片上的成像單元和微偏振濾光片組成。目前基于斯托克斯矢量中的前三個參量S0，S1，S2下的線偏振探測器成為熱門研究領(lǐng)，研究已經(jīng)不僅僅局限于探測器本身的設(shè)計現(xiàn)也集中于微納結(jié)構(gòu)的工藝制備，通過制備過程中的參數(shù)分析完善微納結(jié)構(gòu)偏振探測器的偏振性能，盡可能的提高探測器成像的分辨率，獲取更有用的偏振信息。

2 制備納米偏振光柵陣列結(jié)構(gòu)的實驗方法

2.1 光柵參數(shù)形貌設(shè)計

制備金屬納米偏振光柵陣列，首先要對光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。選擇合適的金屬材料，工藝加工中常見的金屬材料有鋁、銀、鉻、金、鉑等[5]。不同的金屬材料對光柵的偏振性能有不同的影響。通過光波衍射理論分析鋁具有較高的導(dǎo)電性，能與大部分的電子制備技術(shù)兼容，抗氧化性能好，并且在可見光波段吸收率低[6]。跟其他金屬相比鋁的偏振性能消光比和偏振透射率高，綜合性能強(qiáng)，因此選擇鋁作為偏振光柵陣列的金屬材料。

光柵面型通常有矩形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)、鋸齒形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)等。其中頂角為直角，側(cè)壁垂直且表面光滑的理想矩形光柵結(jié)構(gòu)的偏振性能消光比和透射率最佳[8]，因此選擇矩形光柵結(jié)構(gòu)。對于矩形光柵我們設(shè)計如圖1所示的偏振光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中光柵占空比值0.5保持不變，改變線柵的周期和線寬，整體面積為200um×200um，每個小正方形單位尺寸滿足CCD像元大小為7.4um。

2.2 偏振光柵陣列制作流程

圖2為采用電子束曝光設(shè)備和ICP反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備制作鋁納米偏振光柵陣列的過程說明。

（1）如圖2（a）所示，用丙酮，乙醇，去離子水超聲清洗玻璃基底，并放在加熱板上1500加熱60s。

（2）如圖2（b）所示，鍍150nm厚度的鋁膜，作為ICP刻蝕時的第二層掩膜。

（3）如圖2（c）所示，以2500rpm/s的速度旋轉(zhuǎn)涂膠，并放在加熱板上1500加熱60s。

（4）如圖2（d）所示，采用電子束曝光設(shè)備對光刻膠進(jìn)行曝光，顯影并放在熱板上1200厚烘60s，將設(shè)計好的光柵圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，電子束曝光時電子掃描顯微鏡的加速電壓為30kv。

（5）如圖2（e）所示，將光刻膠圖形做為第一層掩膜，采用ICP反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備（inductively coupled plasma-reactive ion etching）刻蝕金屬鋁，將光柵圖案轉(zhuǎn)移到鋁膜上。

3 表征納米光柵偏振片陣列

3.1 圖形質(zhì)量檢測

采用電子束曝光技術(shù)制備全面積為200um*200um，每個小正方形單元面積為7.4um*7.4um占空比為0.5不同周期的金屬鋁納米光柵偏振片陣列。圖3為電子掃描顯微鏡下獲取的整體光柵結(jié)構(gòu)圖，由圖可知制備的光柵偏振片陣列結(jié)構(gòu)完整無損壞，每個單元都為標(biāo)準(zhǔn)正方形結(jié)構(gòu)，金屬線柵方向為00，450，1350，900，與設(shè)計的光柵陣列結(jié)構(gòu)相一致。

納米光柵偏振片陣列線柵周期的完整性、均勻性、深度、粗糙度影響其偏振性能。在ICP刻蝕時Cl2和BCl3比例、ICP功率、刻蝕時間對線柵的完整性、深度、粗糙度有一定影響。因此在制備納米光柵偏振片陣列時要注意電子束曝光劑量的大小會影響膠圖形質(zhì)量，ICP刻蝕時工藝參數(shù)主要為氣體流量比，Cl2主要用來刻蝕金屬鋁，因此Cl2與BCl3氣體比例為2：1，刻蝕后的樣品不要在去離子水中長時間清洗，殘留的Cl2遇水酸化腐蝕Al膜。

3.2 光柵偏振片陣列偏振性能分析

衡量納米偏振片陣列性能的參數(shù)主要有消光比和透射率對于一個偏振片，當(dāng)入射偏振光沿偏振片的透光軸時，沿偏振片透光軸出射的偏振光的透射率為最大偏振透射率，沿偏振片消光軸方向的透射率為最小偏振透射率，最大透射率與最小透射率的比值為消光比E。

本實驗中我們采用紅光（620nm）綠光（530nm）藍(lán)光（460nm）作為入射光源，搭建光路提取納米光柵偏振片陣列的偏振信號， 積分球頂部放置一個發(fā)光二極管，旋轉(zhuǎn)偏振片用于起偏，制備的光柵偏振片樣品作為檢偏器對準(zhǔn)鏡筒，CCD采集不同入射偏振光角度下的偏振圖片，并用Matlab進(jìn)行處理。如圖4所示為經(jīng)計算得出在相同占空比下，線寬50-300nm的偏振特性曲線。

由圖4可知，在照明光為紅光時，線寬為50nm時偏振性最佳，消光比為12.5，透射率為43%，隨著線寬的增加消光比值逐漸減小，當(dāng)周期大于入射光波長時片偏正性能為零。

4 結(jié)束語

本文通過應(yīng)用電子束曝光技術(shù)和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，制備基于斯托克斯矢量條件下的分焦平面金屬線柵偏振片陣列，其中線柵占空比為0.5，線寬為50-300nm，每個單元結(jié)構(gòu)大小為7.4um。制備的線柵結(jié)構(gòu)不斷裂、無疊加，在紅光、綠光、藍(lán)光三種光源照射下均有偏振特性，其中在紅光作為入射光源下得到的偏振特性最佳消光比為12.5。將來我們將制備的光柵陣列與CCD進(jìn)行貼合，實現(xiàn)光柵偏振探測器的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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