薄膜微结构的光波位相调制特性研究

作     者：张晶心 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘卫国

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：薄膜微光学 单点金刚石技术 纳米压印技术 金字塔结构 

摘      要：氮化硅微金字塔结构化薄膜具有宽波段的减反射效果,基于微机电系统的传统制备方法只能获取底面角度为直角的微金字塔结构。本文发挥单点金刚石切削制备微金字塔结构的优势,通过对切削方向的调整,实现了对微金字塔结构阵列底面角度的0°～90°的控制。通过对底面角度可变的氮化硅微金字塔结构化薄膜的近场光场调制特性的仿真分析与实验研究,证明了薄膜光学微金字塔结构化薄膜可以实现对光束传播方向与能量分布进行调制,改变微金字塔结构的底面角度,可以让光波按照底角的设计传播,这一现象为为光电系统的光路设计提供了更广的自由度。针对氮化硅微金字塔结构化薄膜的近场光场调制特性进行仿真分析。通过时域有限差分的方法,仿真计算可见光波段,不同波长下,薄膜光学微金字塔结构阵列的位相调制结果。揭示了入射电磁波经微结构的调制,位相分布的规律。仿真结果表明在可见光波段,随着波长的增加,位相变化呈周期性分布,从而导致不同波长的电磁波自微结构透射呈现波长从大到小的规律性分布,这与几何光学的理论分析结果一致。基于射线追踪方法,并结合有限元的数值计算理论,分析金字塔结构对光线传播方向的调制结果。仿真结果表明,光波通过金字塔微结构阵列,被调制成四束光波往不同的方向传播,且每束光波携带了自身微结构阵列的波前相位特征信息。基于仿真结果本文将单点金刚石切削技术与传统微机电系统制备技术相结合,发挥单点金刚石切削制备微金字塔结构的优势,通过对切削方向的调整,实现了氮化硅微金字塔结构化薄膜底面角度0°～90°的控制。利用PECVD技术制备了厚度达4μm的氮化硅薄型特点的纳米热压印技术来制备薄膜微金字塔结构的方法操作简单,成本低、分辨率高。实验结果表明纳米压印技术制备微结构能够保留金字塔微结构的完整性,达到接近于1:1的图形转移。利用ICP刻蚀技术分别在氮化硅薄膜和环氧树脂进行刻蚀实验,实验得到最优参数为:SF6:45sccm、ICP功率:430w、RF功率:12w、压强:12 mTorr时,氮化硅薄膜的刻蚀速率为16.98nm/s,环氧树脂压印胶的刻蚀速率为23.55nm/s,氧化硅薄膜和压印胶的刻蚀速率比为1:1.39。针对制备得到的不同底面角度的薄膜微金字塔结构进行透射率及透射光场分布检测。在1000～2500nm波段,Si基底的平均透过率为55%,SiNx薄膜的透过在55%与70%之间正弦型振荡,微结构的透过率消除了薄膜的振荡效应,且底角为45°的微棱锥结构具有最高的透过率。近红外透射率增强的位置受到薄膜微金字塔结构的深宽比的影响。透射光场的分布与微结构的底面角度具有一致性,与仿真计算的结果相符。通过对微结构的尺寸以及底面角度的设计,可以实现对散射光的强弱、方向的控制。