嵌入式三色光變器?

徐平1)2) 袁霞1)2) 楊拓1)2) 黃海漩1)2)? 唐少拓1)2) 黃燕燕1)2)肖鈺斐1)2) 彭文達1)2)

1)(深圳大學微納光電子技術研究所,深圳 518060)

2)(深圳大學電子科學與技術學院,深圳 518060)

嵌入式三色光變器?

徐平1)2) 袁霞1)2) 楊拓1)2) 黃海漩1)2)? 唐少拓1)2) 黃燕燕1)2)肖鈺斐1)2) 彭文達1)2)

1)(深圳大學微納光電子技術研究所,深圳 518060)

2)(深圳大學電子科學與技術學院,深圳 518060)

(2017年1月1日收到;2017年4月17日收到修改稿)

為了提升現有導模共振防偽光變器件的性能,設計了一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結構三色光變器.當自然光入射角為45?時,可在0?,58?,90?方位角分別獲得相應的藍、綠、紅三色反射峰,對研究結果進行了物理解釋.分析并提出了該器件周期、槽深、膜厚以及入射角變化對反射峰的影響規律,對器件的設計、制作和測試有重要指導作用.三色光變器基于簡單結構實現方位角調節的自然光三色光變效果,可運用傳統激光全息產業的模壓和蒸鍍工藝進行制作,在光變圖像防偽領域有重要應用.

亞波長,二元矩形單周期結構,三色光變器,防偽

1 引 言

導模共振(guided-mode resonance,GMR)光柵可實現反射光在可見光波段的選擇性反射,由此帶來的各向異性光變效果廣泛應用于光變圖像防偽領域[1?6].為了便于公眾識別,GMR防偽光柵通常采用調整光柵取向的方法來實現光變效果:當入射面與光柵溝槽相垂直時光柵呈現一種顏色,將光柵在自身平面旋轉90?,此時入射面與光柵溝槽相平行,光柵呈現另一種顏色.目前,這種GMR兩色光變技術在護照、身份證、駕駛證、支票、紙幣等防偽領域應用廣泛.然而,隨著技術的普及,防偽功能明顯下降.因此,GMR三色光變技術因其設計難度高、反射光顏色豐富的優點,成為提高現有GMR防偽光變器件防偽性和觀賞性的有效途徑.

近年來,研究人員通過一維GMR光柵結構實現了三色濾波[7?11].由于GMR光柵的TE波和TM波共振位置不一致[12,13],具有偏振依賴性,其反射光中僅有TE或TM偏振光,因此損失了一半的入射自然光能量.其中文獻[7—10]基于多周期、多層次或不對稱結構,實際加工制作比較困難.為了實現消偏振濾波,研究人員采用二維光柵結構[14?18],但其結構明顯比一維結構具有復雜的工藝過程.此外,上述光柵結構均無覆蓋層,易于被復制.為解決這些問題,在我們課題組長期積累的二元光學衍射設計理論及應用[19?24]以及光變器技術[25,26]的研究基礎上,本文設計一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結構三色光變器.

ZnS材料在可見光范圍內具有高折射率、高透光率,且易于在聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)表面進行蒸鍍,在防偽產業方面應用廣泛.由于器件反射峰對覆蓋膜材料的折射率非常敏感,若基于文獻[25]的結構,簡單地應用ZnS取代原來的ZnO作為覆蓋膜,器件將不能實現三色光變效果.因此,本文選用ZnS為覆蓋膜,對嵌入式周期結構進行了優化設計,獲得了一種基于ZnS覆蓋膜的亞波長一維矩形單周期結構三色光變器.光變器可調控TE和TM波同時在指定波段獲得高反射率,實現方位角調節非偏振自然光的三色光變,后續采用激光全息產業成熟的模壓和蒸鍍工藝進行制作,在光變圖像防偽領域具有重要的應用價值.

2 設計理論與方法

嵌入式三色光變器結構如圖1所示,由基底介質層、光柵層和覆蓋層組成.光柵在y方向上均勻分布,在x方向上周期分布.入射介質層為空氣,折射率ni=1.選擇防偽產業通用基底介質聚脂PET,折射率ns=1.65;PET上的亞波長矩形光柵結構周期為T,深度為dg,溝槽部分用折射率nc=2.356的ZnS填充;覆蓋層選用ZnS,厚度為dc.為制作方便,選取光柵占空比f=0.5.

當自然光以固定角度入射時,由于自然光可以分解為兩振動方向相垂直、光強相等且無固定相位關系的線偏振光,因此可用垂直入射面的TE偏振光和平行入射面的TM偏振光的疊加來模擬自然光[3,27].用ψ表示偏振角,則ψTM=0?,ψTE=90?.入射光波矢為K,定義入射光與z軸的夾角為入射角θ,入射面和x軸的夾角為方位角φ.

圖1 嵌入式三色光變器結構模型Fig.1.Structure model of the embedded tri-color shift device.

為了實現方位角調節的藍、綠、紅三色光變,需要使TE和TM波在第一個方位角同時獲得藍光反射最大,綠光和紅光反射最小;在第二個方位角同時獲得綠光反射最大,藍光和紅光反射最小;在第三個方位角同時獲得紅光反射最大,藍光和綠光反射最小.因此,三色防偽光變器的設計目標就是確定特定的器件結構參量和入射條件,去控制TE和TM波在三個方位角的反射效率.因此本文構建評價函數如下:

其中,η表示器件的反射效率,可由嚴格耦合波分析(rigorous couple-wave analysis,RCWA)法進行數值求解得到;L1,L2,L3分別為藍光、綠光、紅光波段的波長采樣點數;α,β,γ,α′,β′,γ′為權重因子,在[0,1]范圍取值,且滿足α+β+γ+α′+β′+γ′=1,可根據不同設計要求設置.評價函數MF表達式(1)中,第1項表示TM波在藍光波段的反射率與最大反射率的差值,第2項、第3項分別表示TM波在綠光、紅光波段的反射率與最小反射率的差值;第4項表示TE波在藍光波段的反射率與最大反射率的差值,第5項、第6項分別表示TE波在綠光、紅光波段的反射率與最小反射率的差值.其余各項表示類似意義.因此,設計的實質即求一組器件結構參量和入射條件,使評價函數MF的值最小.

本文設計的三色光變器為亞波長結構,標量衍射理論不適用,因此運用矢量分析方法中適用于周期結構的RCWA法計算其衍射效率[28].該衍射效率數值解與入射光參數(入射波長λ、偏振角ψ、方位角φ、入射角θ)、光柵結構參數(占空比f、周期T、槽深dg、膜厚dc)以及各區折射率(入射介質層折射率ni、覆蓋層折射率nc、基底層折射率ns)相關,且與這些參量之間不存在解析關系.通常,在變量較少情況下,可以通過固定部分參數,對某一參數進行掃描,分析亞波長光柵零級衍射效率的規律,來設計和優化亞波長光柵.但本文所設計的三色光變器參量眾多且特定功能復雜,因此該方法不可行.

為了提高優化效率和精度,本文采用具有全局尋優特性的遺傳算法,結合RCWA法,對影響三色防偽光變器反射效率的重要參數進行優化.由于入射角與折射率雖是影響器件反射率的重要參數,但并非我們研究的重點,而45?的反射角容易調整觀察方便,所以我們固定入射角θ=45?.亞波長結構的特征尺寸與光波波長相當或更小,但周期越小,制備時誤差控制越難,成本越高.因此綜合考慮制備條件及設計要求,我們設置了合理的優化范圍:周期T∈[100,700]nm,槽深dg∈[10,500]nm,膜厚dc∈[10,500]nm,藍光方位角φb∈ [0?,45?],綠光方位角φg∈ [20?,70?],紅光方位角φr∈ [45?,90?].優化設計流程如圖2所示.

圖2 優化嵌入式三色光變器參數流程圖Fig.2.Flow chart of the device parameters optimization.

3 設計結果

不斷調整評價函數權重因子α,β,γ,α′,β′,γ′,采用自編程序多次迭代優化,本文得到一組滿足全部設計要求的最佳結構參數:光柵周期T=431.5 nm,光柵深度dg=124.2 nm,鍍膜厚度dc=13.1 nm,TE,TM波同時在藍、綠、紅波段達到高反射率的方位角分別為φb=0?,φg=58?,φg=90?.

下面我們利用RCWA理論計算了可見光波段400—750 nm內入射角θ=45?的TE,TM 波在方位角分別為0?,58?,90?時的反射效率,然后用TE,TM波反射率的平均值近似代替自然光入射時的反射率.自然光在可見光波段的反射效率分布如圖3所示.方位角為0?時,自然光在藍光波段468,442 nm處有反射峰;方位角為58?時,自然光在綠光波段557,521 nm處有反射峰;方位角為90?時,自然光在紅光波段690,673,650,644 nm處有反射峰.值得一提的是,由于TE波和TM波的共振位置不一致,峰值錯開,造成模擬自然光的反射效率降低.但是自然光在藍、綠、紅光波段衍射效率仍然較高,最高分別達到66.7%,61.5%和67.5%;譜寬較寬,分別有26,37和46 nm;同時旁帶較低,分別低于27%,23%和20%.因此,當自然光以適當角度傾斜入射時,隨著方位角的改變,人眼可依次觀察到亮度較高的藍、綠、紅顏色.材料色散將引起共振峰發生微小偏移,但本文設計目標為人眼可感知的光變器件,并非窄帶濾波器,只要這種微小偏移在預設波段內,并不影響視覺效果.

圖3 自然光在三種方位角的反射譜(θ=45?,T=431.5 nm,dg=124.2 nm,dc=13.1 nm,f=0.5)Fig.3.Re fl ectivity spectra of the natural light at three azimuths(θ =45?,T=431.5 nm,dg=124.2 nm,dc=13.1 nm,f=0.5).

上述設計結果可以用干涉相消的原理來解釋[29].一束平行白光照射到透明介質下的亞波長光柵,除了零級衍射波,其他級次的波被耦合到波導層內成為導波,當導波向前傳播時重新衍射出光柵,分別沿著零級透射光和零級反射光的波矢方向傳播.當滿足特定的光柵參量和入射條件時,零級透射光與從波導光柵泄漏出去的透射光完全相消干涉,透射率為0,入射光完全反射,形成共振,符合共振條件的波長光具有強烈的反射峰.

從應用角度看,GMR兩色光變防偽光柵自2003年起成功應用于烏克蘭農業部管理證書、斯洛伐克護照、新版菲律賓比索以及我國二代身份證、新版駕照等.本文設計的全新的基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結構三色光變器,不僅結構簡單,尤其可實現方位角調節的自然光三色光變效果.由原來的兩色擴展為三色,并使TE和TM波同時在指定波段達到高反射效率,設計難度更高,在視覺效果和防偽性能上均有重要技術提升.因此,本文設計的嵌入式三色光變器具有可行性和實用性,在光變圖像防偽領域有廣闊的應用空間.

4 參數冗余度分析

器件結構參數、入射光參數會對嵌入式三色光變器的顯色及衍射效率有重要影響.在實際制作和測試中,這些參數均會產生一定的偏差,由此導致了零級反射峰的變化,從而影響三色光變器的防偽性能.因此,有必要對影響三色光變器反射特性的關鍵參數——周期T、槽深dg、膜厚dc和入射角θ進行冗余度分析,找出對性能影響敏感的參數,以指導測試和制作.

首先研究周期偏差對三色光變器反射峰的影響.固定其他參數為設計值,研究周期T變化時反射峰的變化規律.如圖4所示,在三種方位角下,反射峰的波長都隨T呈線性變化,且隨T的增大產生紅移.T在[360 nm,500 nm]之間光變器均能產生較高反射效率,但反射峰的波長隨周期變化較快.當T在[411.5 nm,451.5 nm]之間變化時,方位角為0?的共振波長在藍光波段,方位角為58?的共振波長在綠光波段,方位角為90?的共振波長在紅光波段.因此,周期控制在[411.5 nm,451.5 nm]之間,相對于設計值431.5 nm偏移±4.6%,即偏移±20 nm,可保證在原方位角上仍然得到藍、綠、紅的光變效應.

其次研究槽深偏差對器件反射峰的影響.固定其他參數為設計值,研究槽深dg變化時反射峰的變化規律.如圖5所示,其他參數為理想值時,隨著dg增大,反射峰緩慢紅移.dg減小時,衍射效率降低較快,大于50%的衍射效率集中在兩條狹長區域.當dg在[90.2 nm,158.2 nm]之間變化,方位角為0?時,共振波長在藍光波段且有較高反射效率,方位角為58?時,共振波長在綠光波段且有較高反射效率,方位角為90?時,共振波長在紅光波段且有較高反射效率.因此,槽深應在[90.2 nm,158.2 nm]之間變化,相對于理想值124.2 nm偏移±27.4%,即偏移±34 nm,可保證在原方位角上仍然得到藍、綠、紅的光變效應.

圖4 反射峰隨器件周期Λ的變化(θ=45?,dg=124.2 nm,dc=13.1 nm,f=0.5) (a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?Fig.4.The changes of re fl ection peaks with the device period(θ =45?,dg=124.2 nm,dc=13.1 nm,f=0.5):(a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?.

再次研究膜厚偏差對器件反射峰的影響.固定其他參數為設計值,研究膜厚dc變化時反射峰的變化規律.如圖6所示,dc在[0 nm,50 nm]之間光變器均能產生較高反射效率,隨著dc增大,反射峰緩慢紅移,高衍射效率的共振波長越來越多,帶寬逐漸增加.因此dc的冗余度較大.當dc在[0 nm,26.2 nm]之間變化,方位角為0?時,共振波長在藍光波段且有較高反射效率,方位角為58?時,共振波長在綠光波段且有較高反射效率,方位角為90?時,共振波長在紅光波段且有較高反射效率.因此,膜厚保持在[0 nm,26.2 nm]之間,相對于設計值13.1 nm偏移±100%,即偏移±13.1 nm,可保證在原方位角上仍然得到藍、綠、紅的光變效應.

圖6 反射峰隨器件膜厚dc的變化(θ=45?,T=431.5 nm,dg=13.1 nm,f=0.5) (a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?Fig.6.The changes of re fl ection peaks with the coationg thickness(θ=45?,T=431.5 nm,dg=13.1 nm,f=0.5):(a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?.

最后研究入射角偏差對器件反射峰的影響.固定其他參數為設計值,研究入射角θ變化時反射峰的變化規律.如圖7所示,其他參數為設計值時,在三種方位角下,反射峰的波長隨θ呈線性變化,且隨θ增大藍移.當θ在[50?,40?]之間變化時,方位角為0?的共振波長在藍光波段,方位角為58?的共振波長在綠光波段,方位角為90?的共振波長在紅光波段.因此,入射角保持在[50?,40?]之間,相對于設計值45?偏移±11.1%,即偏移±5?可在原方位角上仍保持藍、綠、紅的三色光變效應.

圖7 反射峰隨入射角θ的變化(T = 431.5 nm,dg=13.1 nm,dc=124.2 nm,f=0.5) (a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?Fig.7.The changes of re fl ection peaks with the incident angle(T=431.5 nm,dg=13.1 nm,dc=124.2 nm,f=0.5):(a) φb=0?;(b) φg=58?;(c) φr=90?.

綜上所述,隨著光變器周期、槽深、膜厚的增加,反射峰紅移;隨著入射角的增大,反射峰藍移.其中,反射峰受周期的影響最大,受膜厚的影響最小.相對于設計值,周期偏移±4.6%(±20 nm),槽深偏移±27.4%(±34 nm),膜厚偏移±100%(±13.1 nm),入射角偏移±11.1%(±5?)時,在原方位角0?,58?,90?,仍分別在藍、綠、紅波段有較高的反射峰.三色光變器反射峰隨以上參數的改變紅移或藍移,是亞波長光柵外部傳播的衍射場與波導光柵產生的泄漏模位相匹配的結果.部分位相不匹配的衍射光進入透射區域,引起共振響應的退化,表現為反射峰峰值的降低.

基于上述設計參數,我們采用電子束曝光和刻蝕工藝制備了硅基模板;后續采用模壓全息工藝,用電鍍法將模板上的亞波長結構轉移到鎳版,然后通過熱壓印轉移到PET基材;最后采用真空蒸鍍的方式進行鍍膜,得到最終樣品.上述參數冗余度分析結果指導并控制整個制作流程的工藝誤差,目前樣品制作已進入轉印PET基材階段.后續將對制作完成的樣品進行性能測試以及與先前的參數冗余度分析結果進行對比研究,由于其內容較多,詳細結果我們將另文報道.

5 結 論

為了提升現有GMR防偽光變器件的性能,本文基于RCWA法和遺傳算法,設計了一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結構三色光變器.當TE,TM波以45?角入射時,可以同時在藍(φb=0?)、綠(φg=58?)、紅(φr=90?)三個波段獲得高反射率.因此,人眼在自然光光照環境下,能明顯觀察到藍、綠、紅三種顏色的轉換.對研究結果進行了物理機理分析解釋.通過對三色光變器的關鍵參數進行冗余度分析可知,實際制作和測試過程中,相對于設計值,周期允許偏移±4.6%(±20 nm),槽深允許偏移±27.4%(±34 nm),膜厚允許偏移±100%(±13.1 nm),入射角允許偏移±11.1%(±5?).冗余度分析結果表明三色光變器具有良好的工藝可行性,并為器件的設計、制作和測試提供了理論依據.ZnS覆蓋膜的引入則進一步實現了光變器的實用化和產業化.

與目前現有的兩色光變器件相比,本文設計的嵌入式三色光變器視覺效果更豐富,可觀賞性更強;設計難度更高,因此防偽性能更好.可采用自然光為光源,方便大眾在普通光照環境下識別,也可通過機讀實現專家級防偽.一維單周期結構有利于制作高精度模板,可采用激光全息產業通用的模壓和ZnS蒸鍍工藝進行批量生產,進一步實現實用化與產業化,可望在光變圖像防偽領域具有重要的應用價值.

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PACS:42.25.Fx,42.79.–e,42.79.DjDOI:10.7498/aps.66.124201

Design of embedded tri-color shift device?

Xu Ping1)2)Yuan Xia1)2)Yang Tuo1)2)Huang Hai-Xuan1)2)?Tang Shao-Tuo1)2)Huang Yan-Yan1)2)Xiao Yu-Fei1)2)Peng Wen-Da1)2)

1)(Institute of Micro-Nano Optoelectronic Technology,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)
2)(College of Electronic Science and Technology,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)

1 January 2017;revised manuscript

17 April 2017)

To improve the performance of existing guided-mode resonance(GMR)anti-counterfeiting grating,a tri-color shift device based on a one-dimensional(1D)singly periodic rectangular structure and ZnS fi lm is reported.By turning the azimuths,the proposed device exhibits tri-color shifts of blue,green,and red for both TE and TM polarizations simultaneously.As the natural light can be considered as a superposition of TE and TM polarizations,in order to achieve the azimuth-tuned tri-color shifts of blue,green,and red,the wavebands and magnitudes of the re fl ection peaks for TE and TM polarizations should be designed at three azimuths,that is,at the fi rst azimuth,high re fl ectivity in blue band and low re fl ectivity in green and red band should be reached;at the second azimuth,high re fl ectivity in green band and low re fl ectivity in blue and red band should be reached;at the third azimuth,high re fl ectivity in red band and low re fl ectivity in blue and green band should be reached.Considering these design goals,the evaluation function is established.By making the rigorous coupled wave analysis,the 0th re fl ectivity of the device can be numerically solved,which is relative to the incident light parameters(λ,ψ,φ,θ),the structure parameters(f,T,dg,dc),as well as the refractive indices of all the regions(ni,nc,ns).There is no analytical relationship between these parameters and the 0th re fl ectivity.So genetic algorithm is used to optimize the evaluation function,and then the optimal parameters of the tri-color shift device are obtained.When T=431.5 nm,dg=124.2 nm,dc=13.1 nm,f=0.5,and θ=45?,at azimuth angle 0?,natural light has re fl ection peaks at 468 nm and 442 nm;at azimuth angle 58?,natural light has re fl ection peaks at 557 nm and 521 nm;at azimuth angle 90?,natural light has re fl ection peaks at 690 nm,673 nm,650 nm and 644 nm.As a result,the device exhibits blue,green and red color responses at 0?,58?and 90?azimuth,respectively.The research results are explained in physics.Furthermore,the in fl uences of key parameters on the re fl ection peaks are investigated.It is found that the re fl ection peaks of blue,green and red light are red-shifted with the increase of device period,groove depth,coating thickness and the decrease of incident angle.When the period,depth,thickness,and the incident angle are changed by ±4.6%(±20 nm),±27.4%(±34 nm),±100%(±13.1 nm),and ±11.1%(±5?)with respect to the original designs,respectively,the device can well keep the color-shift e ff ects of blue,green and red.The results above are meaningful in the designing,manufacturing and testing of the device.Compared with the existing GMR anti-counterfeiting grating,the tri-color shift device has high anti-counterfeit and appreciative value because of the harder designing and richer visual e ff ect.Moreover,the 1D simple periodical structure is good for the manufacture of the high-precision master masks,and the device can be massively produced at low cost by the traditional embossing and evaporating technique in the laser holography industry.This tri-color shift device breaks through the limit of bi-color shifting technology,and may have great applications in the fi eld of the optically variable image security.

subwavelength,binary rectangular single-period structure,tri-color shift device,anti counterfeiting

10.7498/aps.66.124201

?國家自然科學基金(批準號:61275167,60878036)和深圳市基礎研究計劃(批準號:JCYJ20140418095735591,JCYJ20130329103020637,JC201005280533A)資助的課題.

?通信作者.E-mail:hhx@szu.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61275167,60878036)and the Basic Research Project of Shenzhen,China(Grant Nos.JCYJ20140418095735591,JCYJ20130329103020637,JC201005280533A).

?Corresponding author.E-mail:hhx@szu.edu.cn