红绿共振互补光变亚波长微结构制作与分析

红绿共振互补光变亚波长微结构制作与分析 红绿共振互补光变亚波长微结构制作与分 析 第30卷,第7期 2010年7月 光谱学与光谱分析 SpectroscopyandSpectralAnalysis Vo1.30,No.7,pp1922—1925 July,2010 红绿共振互补光变亚波长微结构制作与分析 陈永利,刘文霞,廖宁放 1.天津科技大学包装与印刷工程学院,天津300222 2.北京理工大学信息科学技术学院,颜色科学与工程国家专业,北京100081 摘要剖析了双层亚波长光栅微结构的设计及制作原理,提出了一种亚波长微结构设计与制作的新方法, 其特点是以矩形亚波长光栅设计微结构,用全息干涉光刻及涂布的方法制作,却不影响设计微结构的共振 及光变特性,还能改善反射光的颜色质量.用该方法设计及制作了具有"红绿"共振互补光变效果的亚波长 防伪微结构,检验了其共振光变光谱与颜色变化特征.研究明:制作的全息光栅微结构的共振及光变特征 如共振光谱,颜色,光谱峰及峰分裂等与预先设计的相同;矩形亚波长光栅并不是共振的必要条件,其他面 形光栅微结构的衍射特性和等效波导若与矩形光栅微结构的相同,则其相关特性相同;用新方法设计及制 作亚波长光变微结构的工艺是可行的,既降低了设计微结构的加工难度,又便于用现有的全息生产设备批 量生产. 关键词亚波长微结构;全息光栅;制作与分析;共振光谱与光变色 中图分类号:0436.3文献标识码:ADOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2010)07—1922 —04 引言 亚波长介质光栅优化设计后有独特的共振光谱窄带滤波 及光谱峰分裂特性,在防伪领域有着广泛的应用前景口]. 但是,由于受到材料和制作工艺的限制,这种光栅的共振光 谱带宽(半峰全宽)通常很小,并且随着观察角度的增大,共 振峰分裂的同时也伴随着峰值效率的严重降低,很难获得可 见的彩色光变效果_3"].文献1_53从理论上研究了亚波长介质 光栅的共振特性,并提出了一种性能优良的矩形光栅微结 构——双层交叉叠合式共振亚波长光栅,其特点是可以展宽 亚波长光栅的共振光谱带宽,当将之用于防伪时能得到更佳 的彩色光变效果.但是由于矩形光栅的制作难度太大且费用 昂贵,使得上述结构很难得到实际应用,更难达到批量生产 的要求.针对上述问题,本文将文献Es]对矩形光栅进行研 究所获得的共振特性,如共振峰,峰分裂平移,光谱带宽展 宽等推广到具有易加工及批量生产特点的正弦光栅微结构, 这种推广不仅在理论方面有重要的研究意义,而且在防伪光 栅的制作及批量生产方面也有极大的应用价值.还设计及制 作了一种具有"红绿"共振互补光变效果的亚波长防伪微结 构,并从理论和实验方面研究了其共振光变光谱与颜色变化 特征. 1共振光变微结构的设计及制作原理 如图1所示,双层交叉叠合式亚波长光栅由两个矩形亚 波长光栅交叉叠合构成_5].其中,以是光栅的周期,d是槽 深,"和是脊背(n处)和沟槽(.处)的折射率,顶部和 底部光栅的材料可以不同,和厂2是顶部和底部光栅的填 充因数,和,z.是覆盖层和基底层的折射率.这种光栅的共 振光谱带宽ZM~wvrM完全由刁和lde/daI决定l5] 广们11 A~FWHM一4arcsi"『IX赢) 其中:Ide/J是矩形双层光栅内导波的位相光谱移相速率, 与光栅面形无关,仅由矩形光栅微结构的等效波导[7]决定, 且微结构的导波特性(Ide/1)与之等效波导的相同,因之 结构和材料相同;即是双层光栅的等效光栅强度(耦合到双层 光栅波导内一级光的能量),与光栅结构参数,周围介质折 射率和入射光偏振态有关,经参数优化不同光栅面形亚波长 光栅的呀可以相同.又,根据亚波长光栅的共振机理I8],亚 波长光栅微结构若要共振,则其必须至少含有两个功能层: 亚波长光栅层和波导层.所以,矩形亚波长光栅并不是共振 的必要条件,其他光栅微结构的衍射特性(刁)和等效波导 收稿日期:2009—09—18.修订日期:2009—12—2 基金项目:国家自然科学基金项目(60678052)资助 作者简介:陈永利,1978年生,天津科技大学包装与印刷工程学院讲师e-mail:bit— ylchen@126.corn,chenyongli@tust.edu.cn 1924光谱学与光谱分析第30卷 2.2数据分析 图5给出了制作微结构在方位角一0.(与栅线垂直平 面)和入射角一3.,20.,35.时的反射光谱曲线,虚线是用矢 量衍射方法[14,15计算得到的曲线,实线则是在1365光源下 用PR1980B光谱辐射仪测得的曲线,入射光均为非偏振白 光.可见,制作微结构的理论计算和测量的光谱曲线极其相 近,共振特性如共振峰,峰分裂等极其相似:当0-~=o.时有多 个共振峰,峰值效率均不小于4O,随着0的增大共振峰向 短,长波段平移,其中向短波段平移的峰可呈现可见的"红一 绿一蓝"光色变效果;测量光谱的共振波长比理论值约大 0.015m,且有共振小峰退化现象,如当一20.时,因为光 栅制作有误差及材料对光有吸收;测量光谱的共振边带(非 共振区域)效率小于理论值,即制作全息微结构的减反射性 能优于矩形光栅,因为全息光栅沿某处剖面的TE模和 TM模的等效折射率zTE(z)和牛M()(将(3)式中的_厂()替 换为Aarccos(2z--1)/(2))沿轴是逐渐过渡的.虽然制作 微结构的测量光谱与理论值有差异,但由于颜色的特殊性及 同色异谱现象l1,其再现颜色的外貌与设计的相同. 3结论 亚波长光栅微结构有性能独特的共振滤波特性,将之用 于防伪时可以设计制作出有共振互补光变特性的防伪光栅微 结构.文章剖析了亚波长双层光栅共振光变色微结构的设计 及制作原理,并设计及制作了视觉效果极其明显的有"红绿" 共振互补光变效果的防伪光栅微结构,检验了其共振光变光 谱及颜色特性.设计微结构时,可先将矩形光栅的填充因数 设为0.5,再优化双层矩形光变光栅微结构的其他参数,然 后用全息干涉光刻及涂布的方法制作,制得全息微结构的相 关特性如共振光谱,光谱峰及峰分裂等与设计结构的相同. 研究表明,将双层交叉叠合式亚波长光栅内的矩形光栅替换 为正弦光栅并不影响其共振特性及预先设计的防伪光变特 性,还能改善设计微结构的颜色质量.将高成本,难加工的 矩形光变微结构的相关特性推广到了低成本,易加工的全息 光变微结构,可用于设计及制作有共振互补光变特性的防伪 1.0 O.2 0 1.O 0盘 0.6 O.4 O.2 O 400500600700 Wavelengtldnm 400500600700 Wavelength/nm 400500600700 Wavelength/nm Fig.5Reflectivespectrumofmicrostructures 口:Computed;b:Measured 光栅微结构.因此用全息干涉光刻及介质涂布工艺制作亚波 长光变微结构的工艺是可行的,设计的光变微结构可用现有 的全息生产设备批量加工. 参考文献 TompkinWR,AndreasS,WeitenederC,eta1.Proc.ofSPIE,2002,4677:227. WayneRT,AndreasS,ReneSProc.ofSPIE,2004,5310:244. TompkinWR,StaubBRUSPatent6870678B2,2005.3. SouparisH.USPatent6943952B2,2005.9. CHENYong-li,ZHA0Da-zun(陈永利,赵达尊).SpectroscopyandSpectralAnaysis(光谱 学与光谱分析),2009,29(4):1147. SelleCK,BaderMA,MarowskyG.JournalofOpt.Soc.Am.B,2004,21(6):l127. JacobDK.DunnSC,MoharamMGJournalofOpt.Soc.AnA,2001,18(9):2109. HongboW.LiLF.App1.Opt.,2003,42(31):6255. RathgenH,OfferhausHIOpticsExpress,2009,17(6):4268. LalanneP.LalanneDL.JournalofModemOptics,1996,43:2063. HaggansCW.LiIF,KostukRK.JournalofOpt.Soc.AnLA,1993,10:2217. HansI.OpticsExpress,2009,17(4):12189. 08642 OOOO 邀 mh?一一 ^砒,?一5^???一 .^一 ?一 ]]]]]]]]]]]]胡明明『互1加 [r?L[r?[[[[rLrL[r? 第7期光谱学与光谱分析1925 [13]CHENYongli,ZHAODa-zun,ZHANG]ing,fang,etat(陈永利,赵达尊,张静方, 等).TransactionofBeijingInstituteofTechnology (北京理工大学),2008,28(2):139. [143MoharamMG.GrannEB,PommetDA.JournalOpt.Soc.AnA,1995,12(5):1068. 953MoharamMG,PommentDA,GrannERJournalOpt.Soc.Am.A,1995,12(5):1077. [16]BaloukasB,MartinuIAppliedOptics,2008,47(10):1585. FabricationandAnalysisofRed—GreenResonantComplementary OpticallyVariableSub—WavelengthMicrostructures CHENYong—li,LIUWen-xia,LIAONing-fange 1.CollegeofPackaging&PrintingEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin 2.NationalLabofColorScienceandEngineering,SchoolofInformationScienceandTechnology Technology,Beijing100081,China 300222,China BeijingInstituteof AbstractPrinciplesofdesignandproductionofdual-layersub-wavelengthgratingmicrostructuresareanalyzedthoroughly.No— velmethodsfordesigningandfabricatingsuchstructures,withthecharacteristicsofusingrectangulargratingindexprofiles whendesignedandusingholographicinterferencelithographyandcoatingprocesseswhenp roduced,areproposed.Microstruc— turesfabricatedbyuseofthismethod,willhavethesameresonantandopticallyvariablepropertieswithpre-designedstructures, evenimprovingitscolorqualitiesoflightsreflected.Asub-wavelengthsecuritymicrostructurewiththeuniqueperformancesof red—— greenresonantcomplementaryopticallyvariabilityinCOlOrwasdesignedandmanufacturedsuccessfullyanditsresonantopti—_ callyvariablespectrumandcolorchangingcharacteristicswereverifiedtheoreticallyandexperimentally.Studyresultsindicate thatsinusoidaIgratingmicrostructuresmanufacturedhavethesameresonantandopticallyvariablecharacteristics,suchasthe resonantspectrum,color,spectralpeakandpeaksplits,etc.withthepre-designedstructures.Arectangularindexprofilegrat— ingisnotthenecessaryrequirementtoproduceresonancebehaviorsandthegratingregionscanhaveanyprofilesuchastheholo— graphictypeaslongasitsdiffractioncharacteristicsandequivalentwaveguiderepresentationarethesamewiththedesignedrec— tangulargratingmicrostructures.Themethodsproposedarefeasibleinpractice,loweringthemakingcomplexityandwithpoten— tialoflow-costmassproductioncommerciallybyuseofthecurrentholographicmanufactureequipments. Keywords (ReceivedSep.18,2009;acceptedDec.22,2009)