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【nanoHUST】大学生创新创业团队“超光小队”完成中期答辩

已有 1388 次阅读 2018-9-30 11:23 |系统分类:科研笔记

  ——— ||| 项目背景  ||| ———

      关于做好我校2018年大学生创新创业训练计划项目申报工作的通知

      http://jwc.hust.edu.cn/info/1208/6152.htm


——— ||| 答辩过程  ||| ———

2018919日,由易飞副教授指导的本科大学生创新创业团队“超光小队”,在南五楼612,顺利完成题为《超表面偏振滤光元件》的中期答辩。答辩内容从超表面背景、模拟仿真及结果、实验工艺及测试、后期展望四个方面来陈述。


光学超表面是亚波长尺度,基于纳米结构阵列,能对入射光强度、偏振、相位等进行调控的新型光学元件,可应用于平面透镜、光谱选择、偏振响应等领域。其相对于传统微光学器件(如传统光栅、台阶型菲涅尔透镜等),最核心的区别在于两个方面:第一,前者微结构为亚波长尺度,衍射效率高,而后者结构通常在波长量级,存在寄生衍射级(spurious orders);第二,前者基于具有丰富光学特性(如波长、相位、偏振响应)的谐振单元或波导微结构,因此可以实现器件的多功能化,特别地,可以实现微光学器件的宽带、偏振响应特性,而后者基于光程设计思想,功能单一,比较典型的是传统衍射光学器件(DOE),由于只考虑各个台阶的光程来改变相位特性,因此器件只能工作在单一波长,这大大限制了DOE在实际场景中的应用。  


本项目中的线栅偏振片,采用亚波长结构单元,改进了传统偏振片效率低、易退偏的缺点,其结构稳定,且由于准二维化设计,以平面工艺为主,可直接利用CMOS工艺将超表面集中在探测器等结构上,无需再次对准,使用方便;同时,通过对亚波长小单元的设计,可以使超表面同时实现对偏振态、波长的选择,实现多功能。


项目初期通过时域有限差分法(FDTD)对偏振片及滤光片分别进行了仿真设计,其中,要求线栅偏振片工作波长为1270nm-1635nm,偏振消光比为35dB,偏振选择方向(TM)透过率≥90%。通过对单元的周期、宽度、高度扫描,得出最优条件为周期200nm,宽度90nm,高度200nm(高度越高,消光比越大,但工艺限制只能为高度不能超过200nm的单层线栅)


我们的目标结构如图3所示,此线栅偏振片底层为高透玻璃,结构层为Au(理论上Au/Ag/Al均可),因为Au刻蚀工艺成熟,本次制作的线栅偏振片为周期200nm,宽度为90nm高度为200nmAu线条阵列。

          (图1)宽度-消光比                                   (图2)高度-消光比


                                                                (图3)线栅偏振片效果图


我们采用标准微纳米加工工艺,对这一结构进行了制作。制作过程中,由于工艺制作所使用抗蚀剂(Resist)抗刻蚀性能有限,最终得到高度为40nmAu结构,并对其进行了1200nm-1800nm波长的测试。其偏振选择方向(TM)透过率为49.6%,偏振阻隔方向(TE)透过率为9.2%,消光比(TM/TE)为5.7,为模拟结果的四分之一,但相较于市面产品2.8的消光比,已经取得了很大的改进。为实现35dB的消光比,后期计划改进工艺,采用金属硬掩膜工艺,设法将高度提升到200nm.


构想大致操作过程如下Step1:对玻璃基底上沉积的Au金属薄层涂胶并进行电子束光刻(EBL)曝光、显影。Step2:利用PVD(物理气相淀积)制备并放置金属硬掩膜层(Ti/Ni)并进行溶脱剥离。Step3:反应离子刻蚀(RIE)被金属掩膜层覆盖区域被保留,未被掩膜层覆盖区被刻蚀。Step4:去掉掩膜层金属。

   QQ截图20180930110538.png

 

项目第二个目标为实现中心透光波段为10um的带通滤光片,周期单元基于以金为材料的十字挖孔,设计变量为周期大小、十字孔长、十字孔宽、高度等,通过对变量进行扫描,确定其结构参数为:周期6um,十字长5.1um,宽1.4um,高度为100nm

5.jpg         6.jpg

       (图4)滤光片单元结构                                  (5)滤光片波长-透过率

——— ||| 问题及展望  ||| ———



答辩过程中出现的问题及其后期展望主要有以下几点:

 

1.答辩过程中阐述超表面与光栅等常见的微光学元件相比的优势不够清晰。

2. 后期预计通过光刻工艺对滤光片进行加工并测试。

3.后期可以尝试其他类仿真软件对结果进行进一步验证。




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