專利名稱：一種金屬結構衍射光學元件及其設計方法
技術領域：
本發明涉及衍射光學元件設計制造技術領域，尤其涉及一種金屬結構衍射光學元件及其設計方法。
背景技術：
衍射光學元件是利用光的衍射現象對光波的波前進行調制，從而實現特定功能的光學元件的總稱。這些衍射光學元件通常包括:各種光柵、波帶片和光子篩等。它們在微電子光刻技術、波前整形、光通信、聚焦成像以及微細加工等領域獲得了廣泛的應用。例如，上述衍射光學元件中的波帶片是具有自聚焦能力的衍射光學元件，目前的加工工藝可以使其分辨率達到十幾納米，因此，它可以應用到微電子光刻領域。但是，這些傳統的衍射光學元件的衍射效率較低，大大影響了它們的使用范圍。

發明內容
為了解決傳統衍射光學元件的衍射效率較低的問題，本發明實施例提供了一種金屬結構衍射光學元件的設計方法，利用該方法制作的金屬結構衍射光學元件相對于傳統衍射光學元件具有更高的衍射效率。為解決上述問題，本發明實施例提供了如下技術方案:—種金屬結構衍射光學兀件的設計方法，該方法包括:根據入射波長λ，選擇制作所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料；

在所述金屬材料上選擇取樣點，并根據入射波長確定所述取樣點處要嵌入的金屬方孔的邊長，所述金屬方孔的邊長在O λ內自由選取；根據所述取樣點的位置及其所對應的金屬方孔的邊長，利用金屬結構衍射光學元件表面任意點處的相位表達式以及所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系，計算所述金屬方孔的深度。優選的，所述金屬結構衍射光學兀件表面任意點(X，y)處的相位表達式為:
—- —
Λ-.Γ) - 2.)'} i /Γ + I '.—V -...τ , 一 / )
A.5其中，f為所述金屬結構衍射光學元件的焦距，m為任意整數，選取合適的m值，使所述金屬結構衍射光學元件表面(X，y)處的相位φ (X,y )處于O到2 π之間。優選的，所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系為:
2.Φ-, φ ^ -.'…. -- ■ λ \ 4ιΓ.5其中，λ表示入射光波長，φ表示所述取樣點處的相位延遲，a表示所述金屬方孔的邊長，h表示所述金屬方孔的深度。優選的，所述取樣點間要保持一定的間距，以確保所選取樣點足夠多且相鄰取樣點所對應的金屬方孔彼此不發生重疊。優選的，所述取樣點在所述金屬材料上的排布方式為規則排布、隨機排布或非規貝_布。更優選的，所述規則排布為正方形排布，或平方點陣排布，或旋轉對稱排布或其他形式的規則排布。優選的，所述基底材料為紅外材料或可見光材料。更優選的，所述紅外材料為硅或鍺。 更優選的，所述可見光材料為石英或玻璃。優選的，所述金屬材料為金或銀。優選的，所述金屬方孔的邊長為0.6 0.9倍的入射波長。優選的，所述金屬結構衍射光學元件的設計方法只適用于正入射的情況。—種金屬結構衍射光學兀件，該兀件包括:基底材料、位于所述基底材料上表面的金屬層以及嵌入所述金屬層中的金屬方孔；所述金屬結構衍射光學元件是上述金屬結構衍射光學元件的設計方法制作的。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點:本發明實施例所提供的技術方案，是通過在金屬材料上嵌入不同大小的金屬方孔，來制作金屬結構衍射光學元件:首先，根據入射波長確定所設計的金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料，然后在所述金屬材料上進行取點，并根據入射波長確定所取點處要嵌入的金屬方孔的邊長，最后結合所述取點的位置與所對應的金屬方孔的邊長，利用金屬結構衍射光學元件表面任意點處的相位表達式以及所述取點處的相位延遲與所述金屬方孔的邊長和所述金屬方孔的深度之間的關系，計算出所述金屬方孔的深度。這樣就可以通過合理的設置所述金屬方孔的邊長和深度，采用在所述金屬材料上嵌入大小不同的亞波長金屬方孔結構，來實現所述金屬材料上取樣點的相位延遲，從而通過對所述金屬方孔陣列透射電場的相位調制，使每個金屬方孔的透射電場在所述金屬結構衍射光學元件的設計焦點處相干疊加，進而增強所述金屬結構衍射光學元件的透射率，使得所述金屬結構衍射光學元件相對于傳統衍射光學元件具有更高的衍射效率。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例所提供的金屬結構衍射光學元件上金屬方孔的結構示意圖；圖2為本發明實施例所提供的所述金屬方孔深度與所述取樣點處相位延遲之間的關系圖；圖3為本發明實施例所提供的金屬結構衍射光學元件的示意圖，其中，灰色部分表示金屬，為不透光區域，白色部分為金屬方孔，為透光區域；
圖4為本發明實施例所提供的金屬結構衍射光學元件的剖視圖。
具體實施例方式正如背景技術部分所述，傳統的衍射光學元件的衍射效率較低，大大影響了它們的使用范圍。發明人發現，1998年，《自然》雜志上刊登了一篇關于金屬薄膜上周期性孔陣列異常光學透射現象的文章，該文章的實驗結果得到了遠大于傳統衍射理論預測的透過率，進一步的研究表明這一現象是金屬薄膜上周期性孔陣列所特有的，其物理原因是入射光激發了這種結構的表面波，與孔內的波導模式相互耦合，起了增強透射的作用。有鑒于此，本發明實施例提供了一種金屬結構衍射光學元件的設計方法，該方法包括以下步驟:根據入射波長λ，選擇制作所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料；在所述金屬材料上選擇取樣點，并根據入射波長確定所述取樣點要嵌入的金屬方孔的邊長，所述金屬方孔的邊長可在O λ內自由選取；根據所述取樣點的位置與所對應的金屬方孔的邊長，利用金屬結構衍射光學元件表面任意點處的相位表達式以及所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系，計算所述金屬方孔的深度。本發明實施例所提供的技術方案，針對單個金屬方孔的結構，利用所述取點處的相位延遲與所述金屬方孔的邊長和所述金屬方孔的深度之間的關系，通過合理的設置所述金屬方孔的邊長和深度，實現對所述金屬方孔陣列透射電場的相位調制，使每個金屬方孔的透射電場在所述金屬結構衍射光學元件的設計焦點處相干疊加，從而增強了所述金屬結構衍射光學元件的透射率，使得所述金屬結構衍射光學元件相對于傳統衍射光學元件具有更高的衍射效率。以上是本申請的核心思想，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。實施例一:在對所述金屬結構衍射光學元件進行設計時，首先需要根據入射光的波長，選擇制作所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料。當入射光的波長在紅外光范圍內時，所述金屬結構衍射光學元件的基底材料為紅外材料，所述紅外材料可選擇硅或鍺；當入射光的波長在可見光范圍內時，所述金屬結構衍射光學兀件的基底材料為可見光材料，所述可見光材料可選擇石英或玻璃。無論入射光的波長在紅外光范圍內還是可見光范圍內，所述金屬結構衍射光學元件的金屬材料都可以選擇金或銀。本發明實施例中所選取的入射光的波長為220nm,所述金屬結構衍射光學兀件的基底材料為石英,所述金屬結構衍射光學元件的金屬材料為銀。在所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料選定之后，需要在所述金屬材料上選取取樣點，各點金屬層厚度均相同。所述取樣點即為所述金屬材料上將要嵌入金屬方孔的位置。在選取所述取樣點時，所述取樣點之間需要保持一定的間距，以確保所選取樣點足夠多且在所述取樣點處嵌入金屬方孔時，金屬方孔和金屬方孔之間不會發生重疊。所述取樣點在所述金屬材料上的排布方式可以為規則排布、隨機排布或非規則排布，在所述取樣點所對應的金屬方孔不發生彼此重疊的情況下，所選取的取樣點應盡可能的多。當所述取樣點在所述金屬材料上規則排布時，所述取樣點可按正方形排布，或平方點陣排布，或旋轉對稱排布或其他形式的規則排布，只要金屬方孔與金屬方孔之間不會發生重疊即可。在所述金屬材料上的取樣點確定之后，根據入射光的波長λ確定所述取樣點將要嵌入的金屬方孔的邊長，所述金屬方孔的邊長可在O λ內自由選取，為亞波長量級，其中，所述金屬方孔的邊長優選為0.6 0.9倍的入射波長。本發明實施例中所述金屬方孔的邊長選取為0.7 λ，即為154nm。所述金屬結構衍射光學兀件表面任意點(X，y)處的相位表達式為:
權利要求
1.一種金屬結構衍射光學元件的設計方法，其特征在于，該方法包括: 根據入射波長λ，選擇制作所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料； 在所述金屬材料上選擇取樣點，并根據入射波長確定所述取樣點處要嵌入的金屬方孔的邊長，所述金屬方孔的邊長在O λ內自由選取； 根據所述取樣點的位置及其所對應的金屬方孔的邊長，利用金屬結構衍射光學元件表面任意點處的相位表達式以及所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系，計算所述金屬方孔的深度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬結構衍射光學元件表面任意點(X, y)處的相位表達式為:
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系為:
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述取樣點間要保持一定的間距，以確保所選取樣點足夠多且相鄰取樣點所對應的金屬方孔彼此不發生重疊。
5.根據權利要求4所述的方法,其特征在于，所述取樣點在所述金屬材料上的排布方式為規則排布、隨機排布或非規則排布。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述規則排布為正方形排布，或平方點陣排布，或旋轉對稱排布或其他形式的規則排布。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料為紅外材料或可見光材料。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述紅外材料為硅或鍺。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述可見光材料為石英或玻璃。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料為金或銀。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬方孔的邊長為0.6 0.9倍的入射波長。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬結構衍射光學元件的設計方法只適用于正入射的情況。
13.一種金屬結構衍射光學元件，其特征在于，該元件包括:基底材料、位于所述基底材料上表面的金屬層以及嵌入所述金屬層中的金屬方孔； 所述金屬結構衍射光學元件是利用I 12任一項中所述的金屬結構衍射光學元件的設計方法制作的。
全文摘要
本發明實施例公開了一種金屬結構衍射光學元件的設計方法，該方法包括根據入射波長λ，選擇制作所述金屬結構衍射光學元件的基底材料和金屬材料；在所述金屬材料上選擇取樣點，并根據入射波長確定所述取樣點處要嵌入的金屬方孔的邊長，所述金屬方孔的邊長在0～λ內自由選取；根據所述取樣點的位置及其所對應的金屬方孔的邊長，利用金屬結構衍射光學元件表面任意點處的相位表達式以及所述取樣點處的相位延遲、所述金屬方孔的邊長與所述金屬方孔的深度之間的關系，計算所述金屬方孔的深度。利用本發明所提供的金屬結構衍射光學元件的設計方法，可以增強所述金屬結構衍射光學元件的透射率，使其相對于傳統衍射光學元件具有更高的衍射效率。
文檔編號G02B5/18GK103091839SQ201110338638
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者謝常青, 辛將, 朱效立, 劉明 申請人:中國科學院微電子研究所