二维量子点阵叉型交叉光栅、光学衍射器件及其制备方法

本发明涉及先进光刻器件和微纳加工，尤其是涉及一种抑制高阶衍射的二维量子点阵叉型交叉光栅、光学衍射器件及其制备方法。

背景技术：

1、与电子类似，光子可以携带两种角动量，即轨道角动量和自旋角动量。其中，光涡旋是一种具有螺旋相位波前的光束，具有轨道角动量，并能携带不同的拓扑电荷数。由于其独特的相位奇异性，使其在粒子操纵、光计算、光通信和超分辨率成像方面有着广泛的应用前景。

2、目前，产生光涡流的方法有很多，常见的方法包括叉形光栅、螺旋波带片、空间光调制器、超表面、q波片和模式转换器。其中，叉形光栅作为叉形全息图的二元形式，由于其结构制作简单，在任何传播距离都能观察到清晰的涡流，是产生光涡流最有效、最简单的方法之一。其通常被用来在极紫外区产生涡流束。

3、叉形光栅产生携带轨道角动量的涡流束，被广泛用于物理学研究和物质检测。然而，由于传统的振幅叉形光栅具有类似于矩形光栅的平面周期性结构，导致其不可避免地产生较高水平的衍射涡流。并且，在大多数实际应用中，通常只需要±1级的衍射。对于非单色光入射，衍射光谱和波长不是一一对应的，此时，不需要的高层次衍射总是与±1层次衍射重叠，进而降低了光学系统的分辨能力。

4、鉴于此，本发明提出了一种抑制高阶衍射的二维量子点阵叉型交叉光栅、光学衍射器件及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二维量子点阵叉型交叉光栅、光学衍射器件及其制备方法，该二维量子点阵叉型交叉光栅具备抑制高阶衍射的作用。

2、本发明提供一种二维量子点阵叉型交叉光栅的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将基础参数相同的两正弦叉型光栅通过逻辑异或运算生成二维正弦叉型交叉光栅；

4、s2、将二维正弦叉型交叉光栅划分成多个矩形格子，计算每个矩形格子的平均透射率并与matlab中随机函数生成的随机数进行比较，进而将其转化为具有正弦透过率的二维量子点阵叉型交叉光栅；

5、其中，在矩形格子的平均透射率与matlab中随机函数生成的随机数进行比较过程中，当矩形格子的平均透射率大于随机数时，将矩形格子的透射率设置为1并保留矩形格子；当矩形格子的平均透射率小于随机数时，将矩形格子的透射率设置为0并去除矩形格子。

6、普通正弦叉型光栅的衍射特性是只有±1级衍射左右对称分布在0级周围，将两个方向的正弦叉型光栅通过逻辑异或运算耦合形成正弦交叉光栅，以实现功能上的叠加，生成四个±1耦合涡旋光束反转对称分布在中心零级光的周围。以此为设计目标，本发明首先从两个基础参数相同的正弦叉型光栅出发，将水平方向和竖直方向的正弦叉型光栅通过逻辑异或运算生成二维正弦叉型交叉光栅，这里的基础参数通常指正弦叉型光栅的光栅直径、光栅周期和拓扑荷数，而所使用的逻辑异或运算为现有技术中的一种计算机二值逻辑运算，运算符号为“⊕“，1⊕110，1⊕011，0⊕010。

7、然后，将二维正弦叉型交叉光栅划分成多个矩形格子，计算每个矩形格子的平均透射率并与matlab中随机函数生成的随机数进行比较，这里所使用的随机函数为matlab软件中自带的随机函数，例如rand函数，其可生成0-1之间的随机数，通过将矩形格子的平均透射率与随机函数进行比较，进而将二维正弦叉型交叉光栅转化为具有正弦透过率的二维量子点阵叉型交叉光栅。

8、我们把正弦交叉光栅分割成方形，计算矩形格子四个顶点的平均透射率，进而将三维正弦交叉光栅的透射率函数转化成二维相仿的透射率，但是其平均透射率值在0-1之间，同样无法通过平面半导体制作工艺制造出来，因此，本发明进一步通过与matlab中随机函数生成的随机数进行比较的方法，将其透射率数值进行二值化，以得到二值相仿正弦交叉光栅透射率，即二维量子点阵叉型交叉光栅，其不仅可以做到二维平面上，而且具有三维正弦交叉光栅的透射率。

9、经过理论计算和实验验证，本发明所设计得到二维量子点阵叉型交叉光栅证仅存在四个±1耦合涡旋光束反转对称分布在中心零级光的周围，与具有三维正弦透过率函数的正弦光栅效果一致，具有抑制二维高阶衍射的效果。

10、作为本技术方案优选地，两正弦叉型光栅的光栅直径为d，且100nm≤d≤10cm，但本发明对d值不作严格限定，优选地，400μm≤d≤4000μm。

11、作为本技术方案优选地，两正弦叉型光栅的光栅周期为d，且100nm≤d≤900μm，但本发明对d值不作严格限定，优选地，3μm≤d≤30μm。

12、作为本技术方案优选地，两正弦叉型光栅的拓扑荷数可以相同，也可以不同，并且目前研究表明，拓扑荷数的最大值可达50。例如，两正弦叉型光栅水平方向的拓扑荷数tc111，竖直方向的拓扑荷数tc211。

13、作为本技术方案优选地，所述矩形格子的尺寸为100nm×100nm-900μm×900μm之间的任意数值，即本发明对其不作严格限定，优选地，所述矩形格子的尺寸为200nm×200nm-30μm×30μm。

14、第二方面，本发明还提供了一种根据上述方法制备得到的二维量子点阵叉型交叉光栅，也理应属于本发明的保护范围。

15、第三方面，本发明还公开了一种光学衍射器件的制备方法，包括以下步骤：通过电子束光刻技术将权利要求1所述的二维量子点阵叉型交叉光栅的电脑设计图案转移到光刻胶上，并通过半导体工艺技术制备得到光学衍射器件。

16、在本发明光学衍射器件的制备方法中，首先按照二维量子点阵叉型交叉光栅设计原理，使用matlab进行仿真分析，制作出二维量子点阵叉型交叉光栅的出版图，然后利用传统平面半导体工艺中的电子束光刻技术将电脑绘制的版图转移到衬底的光刻胶上，最后，经半导体反应离子束刻蚀、背部光刻、湿法腐蚀等技术制备得到具有二维量子点阵叉型交叉光栅结果的光学衍射器件。

17、本发明所得到的光学衍射器件具有抑制二维高阶衍射的效果，在成像和粒子捕获方面具有广阔的应用前景。

18、作为本技术方案优选地，包括以下步骤：

19、t1、在清洁后的si3n4-si-si3n4衬底上沉积挡光金属层钛和金，其中，本发明对钛和金的厚度不作限定，例如钛的厚度可以为1-10nm之间的任意数值，金的厚度可以为50-100nm之间的任意数值；

20、t2、在挡光金属层上涂覆第一正性光刻胶，如正性zep光刻胶，并在150-200℃下烘干处理1-5min，然后，以挡光金属层作为掩膜，通过电子束光刻技术中的电子枪根据二维量子点阵叉型交叉光栅的电脑设计图案前后左右移动，电脑中有图形的地方发射电子，电子打到第一正性光刻胶上，第一正性光刻胶变软后即可溶解在显影液中，最后，电子枪将所有的电子打完，完成对第一正性光刻胶的电子束光刻，将电脑中的出版图完全转移到第一正性光刻胶上；

21、t3、通过显影液去除挡光金属层上方的第一正性光刻胶；

22、t4、根据第一正性光刻胶的形状，有胶的部分可挡住反应离子的刻蚀，无胶的部分可被刻蚀气体刻蚀掉，因此，通过干法刻蚀可使金属挡光层形成二维量子点阵叉型交叉光栅的图案；

23、t5、去除其余部分的第一正性光刻胶。

24、作为本技术方案优选地，还包括以下步骤：

25、t6、在si3n4-si-si3n4衬底底部涂敷第二正性光刻胶，例如正性5214光刻胶，并在80-120℃下烘干处理1-5min，放置掩膜版，并对背面进行曝光，而本发明对曝光时间不作严格限定，具体可以为30-60s之间的任意数值；

26、t7、通过干法刻蚀将背部si3n4图案化并将si暴露出来；

27、t8、通过湿法腐蚀将si腐蚀暴露出衬底顶层的si3n4透光层，从而得到一个具有挡光和透光部分的微米级或纳米级光学衍射器件，而该光学衍射器件因其具有二维量子点阵叉型交叉光栅结构而具备抑制二维高阶衍射的效果。

28、因此，本发明的二维量子点阵叉型交叉光栅可与传统的半导体工艺兼容，易于集成，以制备微米级或者纳米级的光学衍射器件。

29、最后，根据上述方法制备得到的光学衍射器件也理应属于本发明的保护范围。

30、本发明的二维量子点阵叉型交叉光栅、光学衍射器件及其制备方法。

31、至少具有以下技术效果：

32、1、本发明从正弦叉型光栅出发，将两正弦叉型光栅通过逻辑异或运算生成二维正弦叉型交叉光栅，并将二维正弦叉型交叉光栅划分成多个矩形格子，计算每个矩形格子的平均透射率并与matlab中随机函数生成的随机数进行比较，进而将其转化成具有正弦透过率的二维量子点阵叉型交叉光栅结构，最后通过传统半导体平面工艺技术将二维量子点阵叉型交叉光栅制作出来。本发明经过理论计算和实验验证证实了该结构的衍射特性，其仅存在四个±1耦合涡旋光束反转对称分布在中心零级光的周围，与具有三维正弦透过率函数的正弦光栅效果一致，具有抑制二维高阶衍射的作用，该衍射特性使其在成像和粒子捕获方面具有广阔的应用前景。

33、2、在本发明中，研究人员可以根据实际需要制作不同种类、不同尺寸的二维量子点阵叉型交叉光栅结构，普适性好，实用价值高；

34、3、本发明的二维量子点阵叉型交叉光栅可与传统的半导体工艺兼容，易于集成，以制备微米级或者纳米级的光学衍射器件。