CN108802872B - 基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法，包括透光基底以及位于基底上的金属层；金属层由晶胞单元阵列组成；晶胞单元包括0°趋向的金属线栅结构、90°趋向的金属线栅结构、45°趋向的金属线栅结构和一个手性结构；手性结构由Z型结构单元阵列构成；其中，线偏振片的透过率为85%以上，消光比50dB以上；右旋圆偏振光在1.6μm波长处透过率为60%，左旋圆偏振光的透过率为4%，圆二向色性可以达到56%，可以实现实时全偏振成像。本发明具有波段较宽，结构简单，易于制作的特点，在以后的光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

Description

基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法

本发明属于发明名称为基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器及其制备方法、申请号为201610560622.9、申请日为2016年7月17日发明申请的分案申请，属于制备方法技术部分。

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术，具体涉及一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的设计与制作。

背景技术

近年来，随着偏振技术的不断发展，其在目标识别与探测方面发挥着越来越重要的作用。有菲涅尔公式可知，当物体在发射、反射、散射以及透射电磁波的过程中，会产生与自身特性相关的特定偏振信息。不同物体，甚至不同状态的相同物体的偏振信息都会存在差别。偏振探测可以提供比传统强度探测和光谱探测更多的关于目标的信息。偏振成像技术成为传统强度成像和光谱成像之外的第三种成像技术，逐渐引起各国研究者越来越多的关注。偏振成像技术是将偏振探测技术与成像技术相结合的产物。偏振成像技术主要是在原有的成像系统上，增加偏振检测装置，配合相应的偏振调制器件和偏振测量算法，通过测量光线的各个偏振分量，进而得到被测光线的部分或全部的偏振状态信息，通常是Stokes矢量图像或Mueller矩阵图像，用以表征被测光线的偏振状态。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以进一步得到更多的偏振参数图像，如偏振度、偏振角、椭圆率角、偏振传输特性等图像，其结果可用于分析被测物的形状，粗糙度、介质性质甚至生物化学等各项特征信息。

近几十年来，偏振成像技术已经成为国内外众多高校和科研机构的研究对象，在天文探测、目标识别、医疗、军事、测量等众多方面具有重要的作用，发挥着巨大的潜力。例如：（1）在天文领域，偏振成像探测最早应用于行星表面土壤、大气探测和恒星、行星以及星云状态等的探测。在许多天文观测领域，偏振测量或者偏振成像都是非常重要的辅助手段。（2）偏振信息图像可以增强目标与背景的对比度，实现目标检测或增强的作用。偏振相机不仅可以用于目标识别，还可以利用消除反射光提高信噪比，增强被测目标的分辨能力。由于偏振图像特别适用于物体的边缘形状检测，因此还可以利用测量得到的偏振图像回复被测物体的几何形状，特别对透明物体的检测和形状恢复具有重要意义。（3）在医疗领域，可以通过偏振图像进行无接触、无痛和无损的病变检测，尤其适用于皮肤和眼部的检测。（4）在军事方面，由于人造物体与自然背景的偏振特性差异比较大，即使是反射率相近的军事伪装物与自然环境之间，在偏振特征图像上都会有比较明显的差别，因此偏振成像技术是非常有效的军事识别手段。

传统的偏振成像技术一般是通过高速旋转偏振片，来获得物体不同偏振方向的信息，但是这种方法只能适用于静态物体或者低速移动物体的探测，无法实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并且这种方法对成像系统的稳定性要求比较高。像素式微型偏振器阵列的出现解决了这个问题，它通过将不用取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。这样，同一目标场景的全Stokes矢量偏振信息就能一次性获得，并且结构简单，可以实现实时全偏振成像。在此方案中，重点在于获得性能良好，易于制备的全Stokes矢量偏振器阵列。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器及其制备方法，能够实现可以实现实时全偏振成像，并具波段较宽，结构简单，易于制作的特点。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，包括透光基底以及位于基底上的金属层；所述金属层由晶胞单元阵列组成；所述晶胞单元包括三个不同趋向的金属线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型结构单元阵列构成；所述金属线栅结构的周期为200-300nm，占空比为1/2-1/3；所述Z型结构单元的纵向周期为340-430nm，横向周期为200-260nm；所述金属层的厚度为280-360nm。

本发明中，以Z型结构单元两条平行边的方向为纵向，与纵向垂直的水平方向为横向。三个不同趋向的金属线栅结构分别为0°、45°以及90°趋向的金属线栅结构；金属线栅结构的趋向是指金属线栅结构中凹槽的朝向，三个角度是以纵向作为基准，即0°趋向则是与纵向平行，90°趋向与纵向垂直，45°趋向与纵向成45°夹角。

本发明三个不同趋向的线偏振片结合手性结构表现出斯托克斯三个不同的线偏振矢量与高偏振二色性的透射，满足全斯托克斯成像需要三个不同趋向的线偏振分量和一个圆偏振分量，引入到像素式偏振器件之中,实现了像素式全斯托克斯矢量成像器件的设计，为实现像素式全斯托克斯成像奠定了基础。解决了现有技术由于受限于金属结构圆偏振分量的区分度较低，像素式全斯托克斯成像未得到工业实现的问题。

本发明中，每个晶胞单元的周期尺寸由探测器的实际像素大小决定。优选的，晶胞结构单元中，所述金属线栅的周期P为210-240nm，占空比为1/2；所述Z型结构单元的纵向周期P1为400-420nm，横向周期P2为210-220nm；所述金属层的厚度H为290-310nm。参见本发明实施例一，P=220nm，占空比=1/2，W1=155nm，W2=85nm，P1=415nm，P2=215nm， L1=145nm，L2=135nm；进一步优选这组参数，可以使结构达到波段最宽，圆二色性较好的优点；得到的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器线偏振片的透过率为85%以上，消光比50dB以上；右旋圆偏振光在1.6μm波长处透过率为60%，左旋圆偏振光的透过率为4%，圆二向色性可以达到56%，取得了意想不到的技术效果。

本发明中，所述透光基底为透光半导体基底；所述金属为金、银或者铝；优选的，所述金属为金；所述透光基底为硅。硅的制作工艺较为成熟，而且价格便宜，金性质较为稳定，不易氧化；而且硅金体系的结合有利于结构发挥全斯托克斯成像效果。

本发明中，Z型结构单元厚度和金属线栅厚度一致，能够兼容线偏振和圆偏振片制作。所谓Z型结构单元呈Z型结构，即两条平行边与中间的一条垂直边组成的结构；本发明优选所述Z型结构单元由第二方形结构以及分别位于第二方形结构两侧的第一方形结构、第三方形结构组成；所述第一方形结构、第三方形结构平行；所述第一方形结构、第三方形结构都与第二方形结构垂直。参见本发明实施例，第一方形结构、第三方形结构大小形状一致，两者端线的距离就是Z型结构单元的纵向周期，即所述手性结构中，在纵向方向上，相邻Z型结构单元接触。

本发明公开的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的结构参数对应的工作波段为通讯波段，可根据结构参数的选取进行调制，获得最佳效果，在光学成像系统具有很大的应用价值。因此本发明还公开了上述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器在偏振成像中的应用。

本发明进一步公开了上述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法，包括以下步骤：在透光基底表面利用电子束蒸发镀一层金属，然后涂上一层光刻胶；然后利用电子束曝光显影技术得到三个不同趋向的金属线栅结构和一个手性结构；再使用反应离子束工艺刻蚀；接着去除残余光刻胶得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。

本发明进一步公开了上述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法，包括以下步骤：在透光基底表面涂上一层光刻胶，利用电子束曝光和显影技术得到表面带有光刻胶的透光基底；然后利用电子束蒸发在透光基底带有光刻胶的表面镀一层金属；最后去除光刻胶以及光刻胶上的金属，得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。

本发明基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器由透明（硅）基底和金属层组成；所述金属层由晶胞单元阵列组成；所述晶胞单元包括三个不同趋向的金属线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型结构单元阵列构成；Z型结构单元阵列构成二维手性结构，手形结构是指自身的镜像不能够与自身重合。手形结构能够对入射的左右旋圆偏振光有着不同的吸收、反射和透射作用，即圆二色性。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:

1．本发明首次公开了基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，可以实现实时全偏振成像；其中线偏振片的透过率为85%以上，消光比50dB以上；右旋圆偏振光在1.6μm波长处透过率为60%，左旋圆偏振光的透过率为4%，圆二向色性可以达到56%，取得了意想不到的技术效果。

2．本发明公开的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器结构合理、易于制作，结构单元的尺寸参数可调，制备方法与现有的工艺完全兼容；克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到检偏器的缺陷。

3．本发明公开的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器原料来源广、制备简易，相比现有技术，财力、时间成本更低；并且性能优异，在光学成像系统具有很大的应用价值。

附图说明

图1为实施例一的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器以及晶胞单元结构示意图；

图2为实施例一的全斯托克斯矢量偏振器中0°趋向的金属线栅结构的截面结构示意图；

图3为实施例一的全斯托克斯矢量偏振器中Z型结构单元的俯视结构示意图；

其中：1、透光基底；2、0°趋向的金属线栅结构；3、90°趋向的金属线栅结构；4、45°趋向的金属线栅结构；5、手性结构；6、Z型结构单元；7、第二方形结构；8、第一方形结构；9、第三方形结构；

图4为实施例一中周期P1对左右旋圆偏振光由基底入射金属层的透过率曲线的影响图；

图5为实施例一中周期P1对左右旋圆偏振光由基底入射通过金属层的圆二色性曲线的影响图；

图6为实施例一中周期P2对左右旋圆偏振光由基底入射通过金属层的透过率曲线的影响图；

图7为实施例一中周期P2对左右旋圆偏振光由基底入射通过金属层的圆二色性曲线的影响图；

图8为实施例一中左右旋圆偏振光入射基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的透过率曲线图；

图9为实施例一中左右旋圆偏振光入射基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的圆二色性曲线图；

图10为实施例一中线偏光通过基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的透过率和消光比曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述:

实施例一：参见附图1所示，为基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器结构示意图（右图）以及晶胞单元结构示意图（左图）；基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，包括透光基底1以及位于基底上的金属层；金属层由晶胞单元阵列组成；晶胞单元包括0°趋向的金属线栅结构2、90°趋向的金属线栅结构3、45°趋向的金属线栅结构4和一个手性结构5；手性结构由Z型结构单元6阵列构成，在纵向方向上，相邻Z型结构单元接触；多个晶胞单元阵列组合即得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。

参见附图2，为0°趋向的金属线栅结构的截面结构示意图，为了表示更清楚，附图包括基底，其周期P为220nm，占空比为1/2；90°趋向的金属线栅结构、45°趋向的金属线栅结构的参数与0°趋向的金属线栅结构一致。金属层的厚度H为300nm。

参见附图3，Z型结构单元由第二方形结构7以及分别位于第二方形结构两侧的第一方形结构8、第三方形结构9组成；第一方形结构、第三方形结构平行，大小形状一致；第一方形结构、第三方形结构都与第二方形结构垂直。Z型结构单元的纵向周期P1为415nm，横向周期P2为215m，W1=155nm，W2=85nm，L1=145nm，L2=135nm。

上述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制作方法，包括如下步骤：

（1）硅表面利用电子束蒸发镀一层金，再用匀胶机涂上一层光刻胶；

（2）利用电子束曝光和显影技术得到金属线栅和Z型结构单元光刻胶结构；

（3）使用反应离子束工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶。

附图4为周期P1对左右旋圆偏振光由基底入射金属层的透过率曲线的影响；附图5为周期P1对左右旋圆偏振光由基底入射金属层的圆二色性曲线的影响。由图可见透过率的相应峰值随P1的增大发生红移。附图6周期P2对左右旋圆偏振光由基底入射通过金属层的透过率曲线的影响；附图7为周期P2对左右旋圆偏振光由基底入射通过金属层的圆二色性曲线的影响。由图可见透过率的相应峰值随P2的增大发生蓝移，但是移动的波段范围较小。因此本发明基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器可以调整P1适应多种工作波段，提高应用性能。

以P=220nm，占空比为1/2；W1=155nm，W2=85nm，P1=415nm，P2=215nm，L1=145nm，L2=135nm，H=300nm为结构参数；附图8为左右旋圆偏振光入射基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的透过率曲线图，在1.55μm -1.65μm波段，对左右旋圆偏振光的透过率较好。图9为左右旋圆偏振光入射基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的圆二色性曲线图；在1.60μm波段圆二向色性可以达到56%。

附图10为基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的透过率和消光比曲线，其中线偏振片的透过率为85%以上，消光比50dB以上。

实施例二：一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，包括透光基底以及位于基底上的金属层；金属层由晶胞单元阵列组成；晶胞单元包括0°趋向的金属线栅结构、90°趋向的金属线栅结构、45°趋向的金属线栅结构和一个手性结构；手性结构由Z型结构单元阵列构成；Z型结构单元由第一方形结构以及分别位于第一方形结构两侧的第一方形结构、第三方形结构组成；第一方形结构、第三方形结构平行，大小形状一致；第一方形结构、第三方形结构都与第二方形结构垂直，在纵向方向上，相邻Z型结构单元接触。多个晶胞单元阵列组合即得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。以P=220nm，占空比为1/2；W1=155nm，W2=85nm，P1=415nm，P2=210nm，L1=145nm，L2=135nm，H=310nm为结构参数，制备方法如下：

（1）硅表面用匀胶机涂上一层光刻胶；

（2）利用电子束曝光和显影技术得到光刻胶结构；

（3）利用电子束蒸发在基底上镀一层铝；

（4）利用有机溶剂去除光刻胶以及光刻胶上的金属层。

得到的基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器在1.60μm波段圆二向色性可以达到52%；透过率为83%以上，消光比50dB以上。

Claims (5)

1.一种基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，其特征在于：所述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器包括透光基底以及位于透光基底上的金属层；所述金属层由晶胞单元阵列组成；所述晶胞单元包括三个不同趋向的金属线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型结构单元阵列构成；所述金属线栅结构的周期为220nm，占空比为1/2；所述Z型结构单元的纵向周期为415nm，横向周期为215nm；所述金属层的厚度为300nm；所述金属线栅结构的趋向为0°、45°以及90°；所述金属为金；所述透光基底为硅；所述Z型结构单元由第二方形结构以及分别位于第二方形结构两侧的第一方形结构、第三方形结构组成；所述第一方形结构、第三方形结构平行；所述第一方形结构、第三方形结构都与第二方形结构垂直。

2.根据权利要求1所述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器，其特征在于：所述手性结构中，在纵向方向上，相邻Z型结构单元接触。

3.权利要求1所述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器在偏振成像中的应用。

4.权利要求1所述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在透光基底表面利用电子束蒸发镀一层金属，然后涂上一层光刻胶；然后利用电子束曝光显影技术得到三个不同趋向的金属线栅结构和一个手性结构；再使用反应离子束工艺刻蚀；接着去除残余光刻胶得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。

5.权利要求1所述基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在透光基底表面涂上一层光刻胶，利用电子束曝光和显影技术得到表面带有光刻胶的透光基底；然后利用电子束蒸发在透光基底带有光刻胶的表面镀一层金属；最后去除光刻胶以及光刻胶上的金属，得到基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器。

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