一种图案化控偏膜片及其制备方法与流程

本发明属于光波精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种图案化控偏膜片及其制备方法。

背景技术：

迄今为止，用于执行光矢量振动取向的定向选择与调节的控偏膜片被广泛应用在多种光学器件或系统中，用于实现不同的光偏振。典型的控偏膜片包括有两种，第一种是晶化薄膜，第二种是细薄金属/金属氧化物线阵构成的、具有特定取向的光栅结构。

然而，上述两种控偏膜片均存在一些不可忽略的技术问题，首先，其都是基于材料的本征电磁响应和控制属性，仅能将透射光波驱控在特定偏振态上；其次，其无法实现按需设置或任意配置传输光波的偏振取向；第三，其难以实现光矢量的从优振动取向的多向空变共存、以及光矢量振动取向的图案化连续空变分布；最后，细薄金属/金属氧化物线阵构成的光栅结构是通过有限数量空间取向上的预设金属/金属氧化物光栅实现，仅能分离出基于有限数量空间取向的光波偏振态。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种图案化控偏膜片及其制备方法，其目的在于，解决现有控偏膜片存在的上述技术问题，同时可根据所使用的不同偏振膜配置传输光波的偏振取向，并可实现光矢量的从优振动取向以连续或离散方式空变共存的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种图案化控偏膜片，其包括从上到下依次平行设置的第一保护膜、基片、至少一个偏振膜、以及第二保护膜，第一保护膜用于对基片进行保护，第二保护膜用于对偏振膜起隔离和保护作用，偏振膜是由封闭或不封闭的多个线簇构成。

优选地，第一保护膜和第二保护膜的材料均是由金属膜或金属氧化物膜制成。

优选地，基片的厚度是在0.2毫米到2毫米之间，偏振膜的厚度是在50纳米到700纳米之间，偏振膜是图案化金属/金属氧化物偏振膜。

优选地，当偏振膜是由封闭的多个金属/金属氧化物线簇构成时，其形状可以是同心环形、葵花形、向心涡旋环形、微块状向心涡旋形、或封闭汉字形等。

优选地，当偏振膜是同心环形时，各个环形金属/金属氧化物线簇之间的间隔均在2微米到40微米之间，最外部的金属/金属氧化物线簇的线宽是大于或等于50微米，其内部的金属/金属氧化物线簇的线宽是2微米到40微米之间。

优选地，当偏振膜是由不封闭的多个金属/金属氧化物线簇构成时，其形状可以是雪花形、散布式微方形、向心锥线形、或英文字母形等。

优选地，当偏振膜为非同心环形时，其金属/金属氧化物线簇在偏振膜细的部分线宽为200纳米到30微米，在偏振膜粗的部分线宽为200纳米到50微米。

优选地，如果偏振膜存在结构钝化后残存的尖端部分，在该尖端部位聚集的是正电荷时，电场向外发散，当尖端部位聚集的是负电荷时，电场向内聚集。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于制备上述图案化控偏膜片的方法，包括以下步骤：

(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对基片进行超声清洗并烘干。

(2)在干燥后的基片的正面和反面上分别制作厚度在百纳米尺度的金属膜/金属氧化物膜和常规保护膜，并经超声清洗并烘干。

(3)在干燥后的基片的正面用匀胶机涂覆光刻胶光刻胶，并烘干5至20分钟。

(4)分别将特定光刻版盖在基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理。

(5)用显影液溶掉基片的正面上感光/未感光部分的光刻胶，留下未感光/感光部分，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。

(6)用浓度在5％～30％的hcl溶液把基片的正面上未受光刻胶保护的金属膜/金属氧化物膜腐蚀掉，而将有光刻胶保护的金属膜/金属氧化物膜保存下来，从而在基片的正面上形成图案化偏振膜。

(7)用丙酮和去离子水对腐蚀后的基片的正面和反面上的残余材料进行清洗并烘干。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明可通过设置多种形状的图案化偏振膜结构，将透射光波驱控在多向甚至任意偏振态上。

2、本发明可通过改变偏振膜的图案来配置传输光波的从优偏振取向。

3、本发明通过构建封闭环形的金属/金属氧化物线簇，可实现传输光波的偏振态的连续空变排布。

4、本发明通过构建不封闭的金属/金属氧化物线簇，可实现光矢量的从优振动取向的离散式空变排布。

5、本发明适用于宽谱域，通过设置具有几十微米尺寸线宽及线间距的金属/金属氧化物线簇，或者将金属/金属氧化物线簇其线宽与线间距控制在几微米至数百纳米尺度，可使本发明分别或一体化地感应或控制红外光与可见光从优振动取向。

附图说明

图1是本发明图案化控偏膜片的封装示意图；

图2是本发明图案化控偏膜片的结构示意图；

图3是本发明环形封闭方式实现方式的图案化控偏膜片的偏振膜的结构图，其中图3(a)是同心圆环形的偏振膜，图3(b)是同心五角星环形的偏振膜，图3(c)是同心多边环形的偏振膜，图3(d)是同心锯齿环形的偏振膜；

图4是本发明其他封闭方式实现的图案化控偏膜片的偏振膜的结构图，其中图4(a)是葵花形的偏振膜，图4(b)是向心涡旋环形的偏振膜，图4(c)是微块状向心涡旋形的偏振膜，图4(d)是封闭汉字形的偏振膜；

图5是本发明非封闭方式实现的图案化控偏膜片的偏振膜的结构图，其中图5(a)是雪花形的偏振膜，图5(b)是散布式微方形的偏振膜，图5(c)是向心锥线形的偏振膜，图5(d)至(g)是英文字母形的偏振膜；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-标识符，2-第一光窗；3-第二光窗，4-第一保护膜，5-基片，6-偏振膜，7-第二保护膜。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，根据本发明的一个方面，提供了一种图案化控偏膜片，其包括从上到下依次平行设置的第一保护膜4、基片5、至少一个偏振膜6、以及第二保护膜7。

第一保护膜4和第二保护膜7的材料可以相同，也可以不同，但均是由金属膜或金属氧化物膜(诸如氧化铟锡(indiumtinoxide，简称ito)膜)制成。

第一保护膜4用于对基片5进行保护，第二保护膜7用于对偏振膜6起隔离和保护作用。

基片5的厚度是在0.2毫米到2毫米之间。

偏振膜6的厚度是在50纳米到700纳米之间。在本实施方式中，偏振膜6是图案化金属/金属氧化物偏振膜。

如图3所示，偏振膜6是由封闭或不封闭的多个金属/金属氧化物线簇构成。

如果偏振膜6是由封闭的多个金属/金属氧化物线簇构成，则其形状可以是同心环形(例如图3(a)中的同心圆环形、图3(b)中的同心五角星环形、图3(c)中的同心多边环形、图3(d)中的同心锯齿环形等)、葵花形(如图4(a)所示)、向心涡旋环形(如图4(b)所示)、微块状向心涡旋形(如图4(c)所示)、封闭汉字形(如图4(d)所示的“国”字)，需要说明的是，图中的箭头表示的是瞬时电场方向，最外部的金属线簇，起到的是屏蔽作用。

当偏振膜6是同心环形时，各个环形金属/金属氧化物线簇之间的间隔可以是相同的，也可以是不同的，但大小均在2微米到40微米之间。最外部的金属/金属氧化物线簇的线宽是50微米以上，其内部的金属/金属氧化物线簇的线宽是2微米到40微米之间。

如果偏振膜6是由不封闭的多个金属/金属氧化物线簇构成，则其形状可以是图5(a)中的雪花形、图5(b)中的散布式微方形、图5(c)中的向心锥线形、以及图5(d)到(g)中的英文字母形等。

应该注意的是，针对上述除了同心环形以外的所有形状的偏振膜6而言，其金属/金属氧化物线簇在细的部分线宽为200纳米到30微米，粗的部分线宽为200纳米到50微米。

另外，如果偏振膜6存在结构钝化后残存的尖端部分(例如图3(d)到(d)，以及图5(d))，在该尖端部位聚集的是正电荷时，电场向外发散，当尖端部位聚集的是负电荷时，电场向内聚集。

在实际应用中，为了将透射光波驱控在任意偏振态上，可对本发明进行级联配置，具体而言，可以是设置多个偏振膜，从而构成阵列化结构，也可以是将多个图案化控偏膜片进行级联。

如图1所示，其示出了本发明图案化控偏膜片的封装结构图，从图上可以看出，整个图案化控偏膜片是封装在立方体形状的金属壳体内，该金属壳体的一侧和其相对的另一侧分别设置有第一光窗2和第二光窗3，第一光窗2所在的侧面上设置有标识符1，用于指示偏振膜靠近该第一光窗2。设置标识符1的目的是为了在使用时，让使用者知道偏振膜所在的位置，以避免损坏或破坏该偏振膜。

光窗是由适应不同波段的高透光玻璃制成，如果本发明是用在红外/可见光中，则该光窗使用红外/可见光玻璃，

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备上述图案化控偏膜片的方法，包括以下步骤：

(1)清洗过程：依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对基片进行超声清洗并烘干。

(2)在干燥后的基片的正面和反面上分别制作厚度在百纳米尺度的金属膜/金属氧化物膜和常规保护膜，并经超声清洗并烘干。

(3)涂胶过程：在干燥后的基片的正面用匀胶机涂覆正性光刻胶(或负性光刻胶)并烘干5至20分钟。

(4)光刻过程：分别将特定光刻版盖在基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理。

(5)显影过程：用显影液溶掉基片的正面上感光部分的光刻胶(或未感光部分的光刻胶)，留下未感光部分(或感光部分)，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。

(6)腐蚀过程：用浓度在5％～30％的hcl溶液把基片的正面上未受光刻胶保护的金属膜/金属氧化物膜腐蚀掉，而将有光刻胶保护的金属膜/金属氧化物膜保存下来，形成基片的正面上的控偏图案。

(7)清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的基片的正面和反面上的残余材料进行清洗并烘干。

总体而言，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明通过改变偏振膜的图案、或者通过对多个偏振膜进行横向或级联配置，从而能将透射光波驱控在多向甚至任意偏振态上；

2、本发明可通过改变偏振膜的图案来配置传输光波的从优偏振取向；

3、本发明通过构建封闭环形的金属/金属氧化物线簇，可实现传输光波的偏振态的连续空变排布；

4、本发明通过构建不封闭的金属/金属氧化物线簇，可实现光矢量的从优振动取向的离散式空变排布；

5、本发明适用于宽谱域，通过设置具有几十微米尺寸线宽及线间距的金属/金属氧化物线簇，或者将金属/金属氧化物线簇其线宽与线间距控制在几微米至数百纳米尺度，可使本发明分别或一体化地感应或控制红外光与可见光从优振动取向。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。