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(dá)1)2)

1)(深圳大學(xué)微納光電子技術(shù)研究所,深圳 518060)

2)(深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(dá)1)2)

1)(深圳大學(xué)微納光電子技術(shù)研究所,深圳 518060)

2)(深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xiàn)有導(dǎo)模共振防偽光變器件的性能,設(shè)計(jì)了一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結(jié)構(gòu)三色光變器.當(dāng)自然光入射角為45?時(shí),可在0?,58?,90?方位角分別獲得相應(yīng)的藍(lán)、綠、紅三色反射峰,對(duì)研究結(jié)果進(jìn)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(duì)反射峰的影響規(guī)律,對(duì)器件的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試有重要指導(dǎo)作用.三色光變器基于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)節(jié)的自然光三色光變效果,可運(yùn)用傳統(tǒng)激光全息產(chǎn)業(yè)的模壓和蒸鍍工藝進(jìn)行制作,在光變圖像防偽領(lǐng)域有重要應(yīng)用.

亞波長(zhǎng),二元矩形單周期結(jié)構(gòu),三色光變器,防偽

1 引 言

導(dǎo)模共振(guided-mode resonance,GMR)光柵可實(shí)現(xiàn)反射光在可見(jiàn)光波段的選擇性反射,由此帶來(lái)的各向異性光變效果廣泛應(yīng)用于光變圖像防偽領(lǐng)域[1?6].為了便于公眾識(shí)別,GMR防偽光柵通常采用調(diào)整光柵取向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光變效果:當(dāng)入射面與光柵溝槽相垂直時(shí)光柵呈現(xiàn)一種顏色,將光柵在自身平面旋轉(zhuǎn)90?,此時(shí)入射面與光柵溝槽相平行,光柵呈現(xiàn)另一種顏色.目前,這種GMR兩色光變技術(shù)在護(hù)照、身份證、駕駛證、支票、紙幣等防偽領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.然而,隨著技術(shù)的普及,防偽功能明顯下降.因此,GMR三色光變技術(shù)因其設(shè)計(jì)難度高、反射光顏色豐富的優(yōu)點(diǎn),成為提高現(xiàn)有GMR防偽光變器件防偽性和觀賞性的有效途徑.

近年來(lái),研究人員通過(guò)一維GMR光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)[7—10]基于多周期、多層次或不對(duì)稱結(jié)構(gòu),實(shí)際加工制作比較困難.為了實(shí)現(xiàn)消偏振濾波,研究人員采用二維光柵結(jié)構(gòu)[14?18],但其結(jié)構(gòu)明顯比一維結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的工藝過(guò)程.此外,上述光柵結(jié)構(gòu)均無(wú)覆蓋層,易于被復(fù)制.為解決這些問(wèn)題,在我們課題組長(zhǎng)期積累的二元光學(xué)衍射設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[19?24]以及光變器技術(shù)[25,26]的研究基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結(jié)構(gòu)三色光變器.

ZnS材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有高折射率、高透光率,且易于在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)表面進(jìn)行蒸鍍,在防偽產(chǎn)業(yè)方面應(yīng)用廣泛.由于器件反射峰對(duì)覆蓋膜材料的折射率非常敏感,若基于文獻(xiàn)[25]的結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單地應(yīng)用ZnS取代原來(lái)的ZnO作為覆蓋膜,器件將不能實(shí)現(xiàn)三色光變效果.因此,本文選用ZnS為覆蓋膜,對(duì)嵌入式周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了一種基于ZnS覆蓋膜的亞波長(zhǎng)一維矩形單周期結(jié)構(gòu)三色光變器.光變器可調(diào)控TE和TM波同時(shí)在指定波段獲得高反射率,實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)節(jié)非偏振自然光的三色光變,后續(xù)采用激光全息產(chǎn)業(yè)成熟的模壓和蒸鍍工藝進(jìn)行制作,在光變圖像防偽領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

2 設(shè)計(jì)理論與方法

嵌入式三色光變器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由基底介質(zhì)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(zhì)層為空氣,折射率ni=1.選擇防偽產(chǎn)業(yè)通用基底介質(zhì)聚脂PET,折射率ns=1.65;PET上的亞波長(zhǎng)矩形光柵結(jié)構(gòu)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(wàn)=0.5.

當(dāng)自然光以固定角度入射時(shí),由于自然光可以分解為兩振動(dòng)方向相垂直、光強(qiáng)相等且無(wú)固定相位關(guān)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(lái)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(jié)構(gòu)模型Fig.1.Structure model of the embedded tri-color shift device.

為了實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)節(jié)的藍(lán)、綠、紅三色光變,需要使TE和TM波在第一個(gè)方位角同時(shí)獲得藍(lán)光反射最大,綠光和紅光反射最小;在第二個(gè)方位角同時(shí)獲得綠光反射最大,藍(lán)光和紅光反射最小;在第三個(gè)方位角同時(shí)獲得紅光反射最大,藍(lán)光和綠光反射最小.因此,三色防偽光變器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是確定特定的器件結(jié)構(gòu)參量和入射條件,去控制TE和TM波在三個(gè)方位角的反射效率.因此本文構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)如下:

其中,η表示器件的反射效率,可由嚴(yán)格耦合波分析(rigorous couple-wave analysis,RCWA)法進(jìn)行數(shù)值求解得到;L1,L2,L3分別為藍(lán)光、綠光、紅光波段的波長(zhǎng)采樣點(diǎn)數(shù);α,β,γ,α′,β′,γ′為權(quán)重因子,在[0,1]范圍取值,且滿足α+β+γ+α′+β′+γ′=1,可根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求設(shè)置.評(píng)價(jià)函數(shù)MF表達(dá)式(1)中,第1項(xiàng)表示TM波在藍(lán)光波段的反射率與最大反射率的差值,第2項(xiàng)、第3項(xiàng)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(xiàng)表示TE波在藍(lán)光波段的反射率與最大反射率的差值,第5項(xiàng)、第6項(xiàng)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(xiàng)表示類似意義.因此,設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)即求一組器件結(jié)構(gòu)參量和入射條件,使評(píng)價(jià)函數(shù)MF的值最小.

本文設(shè)計(jì)的三色光變器為亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu),標(biāo)量衍射理論不適用,因此運(yùn)用矢量分析方法中適用于周期結(jié)構(gòu)的RCWA法計(jì)算其衍射效率[28].該衍射效率數(shù)值解與入射光參數(shù)(入射波長(zhǎng)λ、偏振角ψ、方位角φ、入射角θ)、光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(占空比f(wàn)、周期T、槽深dg、膜厚dc)以及各區(qū)折射率(入射介質(zhì)層折射率ni、覆蓋層折射率nc、基底層折射率ns)相關(guān),且與這些參量之間不存在解析關(guān)系.通常,在變量較少情況下,可以通過(guò)固定部分參數(shù),對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行掃描,分析亞波長(zhǎng)光柵零級(jí)衍射效率的規(guī)律,來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化亞波長(zhǎng)光柵.但本文所設(shè)計(jì)的三色光變器參量眾多且特定功能復(fù)雜,因此該方法不可行.

為了提高優(yōu)化效率和精度,本文采用具有全局尋優(yōu)特性的遺傳算法,結(jié)合RCWA法,對(duì)影響三色防偽光變器反射效率的重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.由于入射角與折射率雖是影響器件反射率的重要參數(shù),但并非我們研究的重點(diǎn),而45?的反射角容易調(diào)整觀察方便,所以我們固定入射角θ=45?.亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的特征尺寸與光波波長(zhǎng)相當(dāng)或更小,但周期越小,制備時(shí)誤差控制越難,成本越高.因此綜合考慮制備條件及設(shè)計(jì)要求,我們?cè)O(shè)置了合理的優(yōu)化范圍:周期T∈[100,700]nm,槽深dg∈[10,500]nm,膜厚dc∈[10,500]nm,藍(lán)光方位角φb∈ [0?,45?],綠光方位角φg∈ [20?,70?],紅光方位角φr∈ [45?,90?].優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示.

圖2 優(yōu)化嵌入式三色光變器參數(shù)流程圖Fig.2.Flow chart of the device parameters optimization.

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

不斷調(diào)整評(píng)價(jià)函數(shù)權(quán)重因子α,β,γ,α′,β′,γ′,采用自編程序多次迭代優(yōu)化,本文得到一組滿足全部設(shè)計(jì)要求的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù):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(shí)在藍(lán)、綠、紅波段達(dá)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(jì)算了可見(jiàn)光波段400—750 nm內(nèi)入射角θ=45?的TE,TM 波在方位角分別為0?,58?,90?時(shí)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(shí)的反射率.自然光在可見(jiàn)光波段的反射效率分布如圖3所示.方位角為0?時(shí),自然光在藍(lán)光波段468,442 nm處有反射峰;方位角為58?時(shí),自然光在綠光波段557,521 nm處有反射峰;方位角為90?時(shí),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(cuò)開(kāi),造成模擬自然光的反射效率降低.但是自然光在藍(lán)、綠、紅光波段衍射效率仍然較高,最高分別達(dá)到66.7%,61.5%和67.5%;譜寬較寬,分別有26,37和46 nm;同時(shí)旁帶較低,分別低于27%,23%和20%.因此,當(dāng)自然光以適當(dāng)角度傾斜入射時(shí),隨著方位角的改變,人眼可依次觀察到亮度較高的藍(lán)、綠、紅顏色.材料色散將引起共振峰發(fā)生微小偏移,但本文設(shè)計(jì)目標(biāo)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(yù)設(shè)波段內(nèi),并不影響視覺(jué)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(shè)計(jì)結(jié)果可以用干涉相消的原理來(lái)解釋[29].一束平行白光照射到透明介質(zhì)下的亞波長(zhǎng)光柵,除了零級(jí)衍射波,其他級(jí)次的波被耦合到波導(dǎo)層內(nèi)成為導(dǎo)波,當(dāng)導(dǎo)波向前傳播時(shí)重新衍射出光柵,分別沿著零級(jí)透射光和零級(jí)反射光的波矢方向傳播.當(dāng)滿足特定的光柵參量和入射條件時(shí),零級(jí)透射光與從波導(dǎo)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(zhǎng)光具有強(qiáng)烈的反射峰.

從應(yīng)用角度看,GMR兩色光變防偽光柵自2003年起成功應(yīng)用于烏克蘭農(nóng)業(yè)部管理證書、斯洛伐克護(hù)照、新版菲律賓比索以及我國(guó)二代身份證、新版駕照等.本文設(shè)計(jì)的全新的基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結(jié)構(gòu)三色光變器,不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尤其可實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)節(jié)的自然光三色光變效果.由原來(lái)的兩色擴(kuò)展為三色,并使TE和TM波同時(shí)在指定波段達(dá)到高反射效率,設(shè)計(jì)難度更高,在視覺(jué)效果和防偽性能上均有重要技術(shù)提升.因此,本文設(shè)計(jì)的嵌入式三色光變器具有可行性和實(shí)用性,在光變圖像防偽領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間.

4 參數(shù)冗余度分析

器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、入射光參數(shù)會(huì)對(duì)嵌入式三色光變器的顯色及衍射效率有重要影響.在實(shí)際制作和測(cè)試中,這些參數(shù)均會(huì)產(chǎn)生一定的偏差,由此導(dǎo)致了零級(jí)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(duì)影響三色光變器反射特性的關(guān)鍵參數(shù)——周期T、槽深dg、膜厚dc和入射角θ進(jìn)行冗余度分析,找出對(duì)性能影響敏感的參數(shù),以指導(dǎo)測(cè)試和制作.

首先研究周期偏差對(duì)三色光變器反射峰的影響.固定其他參數(shù)為設(shè)計(jì)值,研究周期T變化時(shí)反射峰的變化規(guī)律.如圖4所示,在三種方位角下,反射峰的波長(zhǎng)都隨T呈線性變化,且隨T的增大產(chǎn)生紅移.T在[360 nm,500 nm]之間光變器均能產(chǎn)生較高反射效率,但反射峰的波長(zhǎng)隨周期變化較快.當(dāng)T在[411.5 nm,451.5 nm]之間變化時(shí),方位角為0?的共振波長(zhǎng)在藍(lán)光波段,方位角為58?的共振波長(zhǎng)在綠光波段,方位角為90?的共振波長(zhǎng)在紅光波段.因此,周期控制在[411.5 nm,451.5 nm]之間,相對(duì)于設(shè)計(jì)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(lán)、綠、紅的光變效應(yīng).

其次研究槽深偏差對(duì)器件反射峰的影響.固定其他參數(shù)為設(shè)計(jì)值,研究槽深dg變化時(shí)反射峰的變化規(guī)律.如圖5所示,其他參數(shù)為理想值時(shí),隨著dg增大,反射峰緩慢紅移.dg減小時(shí),衍射效率降低較快,大于50%的衍射效率集中在兩條狹長(zhǎng)區(qū)域.當(dāng)dg在[90.2 nm,158.2 nm]之間變化,方位角為0?時(shí),共振波長(zhǎng)在藍(lán)光波段且有較高反射效率,方位角為58?時(shí),共振波長(zhǎng)在綠光波段且有較高反射效率,方位角為90?時(shí),共振波長(zhǎng)在紅光波段且有較高反射效率.因此,槽深應(yīng)在[90.2 nm,158.2 nm]之間變化,相對(duì)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(lán)、綠、紅的光變效應(yīng).

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(duì)器件反射峰的影響.固定其他參數(shù)為設(shè)計(jì)值,研究膜厚dc變化時(shí)反射峰的變化規(guī)律.如圖6所示,dc在[0 nm,50 nm]之間光變器均能產(chǎn)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(zhǎng)越來(lái)越多,帶寬逐漸增加.因此dc的冗余度較大.當(dāng)dc在[0 nm,26.2 nm]之間變化,方位角為0?時(shí),共振波長(zhǎng)在藍(lán)光波段且有較高反射效率,方位角為58?時(shí),共振波長(zhǎng)在綠光波段且有較高反射效率,方位角為90?時(shí),共振波長(zhǎng)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(duì)于設(shè)計(jì)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(lán)、綠、紅的光變效應(yīng).

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(duì)器件反射峰的影響.固定其他參數(shù)為設(shè)計(jì)值,研究入射角θ變化時(shí)反射峰的變化規(guī)律.如圖7所示,其他參數(shù)為設(shè)計(jì)值時(shí),在三種方位角下,反射峰的波長(zhǎng)隨θ呈線性變化,且隨θ增大藍(lán)移.當(dāng)θ在[50?,40?]之間變化時(shí),方位角為0?的共振波長(zhǎng)在藍(lán)光波段,方位角為58?的共振波長(zhǎng)在綠光波段,方位角為90?的共振波長(zhǎng)在紅光波段.因此,入射角保持在[50?,40?]之間,相對(duì)于設(shè)計(jì)值45?偏移±11.1%,即偏移±5?可在原方位角上仍保持藍(lán)、綠、紅的三色光變效應(yīng).

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(lán)移.其中,反射峰受周期的影響最大,受膜厚的影響最小.相對(duì)于設(shè)計(jì)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(shí),在原方位角0?,58?,90?,仍分別在藍(lán)、綠、紅波段有較高的反射峰.三色光變器反射峰隨以上參數(shù)的改變紅移或藍(lán)移,是亞波長(zhǎng)光柵外部傳播的衍射場(chǎng)與波導(dǎo)光柵產(chǎn)生的泄漏模位相匹配的結(jié)果.部分位相不匹配的衍射光進(jìn)入透射區(qū)域,引起共振響應(yīng)的退化,表現(xiàn)為反射峰峰值的降低.

基于上述設(shè)計(jì)參數(shù),我們采用電子束曝光和刻蝕工藝制備了硅基模板;后續(xù)采用模壓全息工藝,用電鍍法將模板上的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到鎳版,然后通過(guò)熱壓印轉(zhuǎn)移到PET基材;最后采用真空蒸鍍的方式進(jìn)行鍍膜,得到最終樣品.上述參數(shù)冗余度分析結(jié)果指導(dǎo)并控制整個(gè)制作流程的工藝誤差,目前樣品制作已進(jìn)入轉(zhuǎn)印PET基材階段.后續(xù)將對(duì)制作完成的樣品進(jìn)行性能測(cè)試以及與先前的參數(shù)冗余度分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,由于其內(nèi)容較多,詳細(xì)結(jié)果我們將另文報(bào)道.

5 結(jié) 論

為了提升現(xiàn)有GMR防偽光變器件的性能,本文基于RCWA法和遺傳算法,設(shè)計(jì)了一種基于ZnS覆蓋膜的一維單周期矩形結(jié)構(gòu)三色光變器.當(dāng)TE,TM波以45?角入射時(shí),可以同時(shí)在藍(lán)(φb=0?)、綠(φg=58?)、紅(φr=90?)三個(gè)波段獲得高反射率.因此,人眼在自然光光照環(huán)境下,能明顯觀察到藍(lán)、綠、紅三種顏色的轉(zhuǎn)換.對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了物理機(jī)理分析解釋.通過(guò)對(duì)三色光變器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行冗余度分析可知,實(shí)際制作和測(cè)試過(guò)程中,相對(duì)于設(shè)計(jì)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(jié)果表明三色光變器具有良好的工藝可行性,并為器件的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試提供了理論依據(jù).ZnS覆蓋膜的引入則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光變器的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化.

與目前現(xiàn)有的兩色光變器件相比,本文設(shè)計(jì)的嵌入式三色光變器視覺(jué)效果更豐富,可觀賞性更強(qiáng);設(shè)計(jì)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(huán)境下識(shí)別,也可通過(guò)機(jī)讀實(shí)現(xiàn)專家級(jí)防偽.一維單周期結(jié)構(gòu)有利于制作高精度模板,可采用激光全息產(chǎn)業(yè)通用的模壓和ZnS蒸鍍工藝進(jìn)行批量生產(chǎn),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化,可望在光變圖像防偽領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)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(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61275167,60878036)和深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):JCYJ20140418095735591,JCYJ20130329103020637,JC201005280533A)資助的課題.

?通信作者.E-mail:hhx@szu.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)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