CN108845384B - 全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全介质像素式全斯托克斯成像偏振器的制备方法，偏振器包括透光基底以及位于基底上的半导体介质层；介质层由超像素单元阵列组成；超像素单元包括0°趋向的线栅结构、45°趋向的线栅结构、90°趋向的介质线栅结构和一个Z型通孔结构单元阵列构成；其中得到的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器线偏振片的透过率在1.40μm‑1.60μm接近100%，消光比20dB以上，最高可到70dB；其圆二色性在1.50μm‑1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%。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

全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件的制备方法

本发明为发明名称为全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件及其制备方法，申请号为201610746267.4，申请日为2016年8月29日发明专利的分案申请，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，它通过将不同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。但是现有材料存在明显的偏振光透过率不高的缺点，无法适合工业应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种全介质像素式全斯托克斯成像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，克服了现有材料偏振光的透过率不高等缺点。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，包括透光基底以及位于透光基底上的介质层；所述介质层由超像素单元阵列组成；所述超像素单元包括三个不同趋向的介质线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型通孔结构单元阵列构成；所述介质线栅结构的周期为0.98μm-1.04μm，占空比为1/4-1/5；所述手性结构中，Z型通孔结构单元的周期为0.97μm-1.0μm；所述介质层的厚度为0.21μm -0.27μm。

本发明中，以Z型通孔结构单元两条平行边的方向为横向，与横向垂直的水平方向为纵向。三个不同趋向的介质线栅结构分别为0°、45°以及90°趋向的介质线栅结构；介质线栅结构的趋向是指介质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。超像素单元包含四个相互独立的方形结构，其中三个方形结构是趋向为0°、45°以及90°的栅线结构，第四个为手性Z型通孔阵列结构，0°、45°、90°趋向的介质线栅结构以及手性结构所占面积大小由实用像素相机像素决定。

本发明中，每个超像素单元的周期尺寸由探测器的实际像素大小决定。Z型通孔结构单元贯穿介质层，其厚度和介质线栅厚度一致，能够兼容线偏振和圆偏振片制作；所述手性结构中，相邻Z型结构单元不接触，以提高结构的圆偏振二色性强度。优选的，超像素结构单元中，所述介质线栅结构的周期为0.99μm，占空比为1/4；所述Z型通孔结构单元的周期为0.98μm；所述介质层的厚度为0.25μm。参见本发明实施例一，介质线栅周期为0.99μm，占空比为1/4；Z型通孔结构周期为0.98μm纵向臂长为0.20μm，横向臂长为0.50μm，缝宽为0.32μm，介质层（顶层硅层）的厚度为0.25μm；通过限定，可以使结构达到波段最宽，圆二色性较好的优点；得到的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器线偏振片的透过率在1.40μm-1.60μm接近100%，消光比20dB以上，最高可到70dB；其圆二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%，取得了意想不到的技术效果。

本发明中，所述透光基底为无机氧化物透光基底；所述介质层为半导体介质层；优选所述透光基底为二氧化硅基底；所述介质为硅半导体材料。二氧化硅为常用的光学材料，同时硅的制作工艺较为成熟，而且价格便宜，而且硅与其氧化物的结合有效的消除了材料对光的吸收，有利于结构发挥全斯托克斯成像效果。

本发明公开的全介质像素式全斯托克斯成像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全介质像素式全斯托克斯成像偏振器在偏振成像中的应用。

本发明进一步公开了上述全介质像素式全斯托克斯成像偏振器的制备方法，包括以下步骤：在透光基底表面利用电子束蒸发镀一介质层，然后涂上一层光刻胶；然后经过电子束曝光显影、反应离子束工艺刻蚀、去除残余光刻胶，得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器；具体的在透光基底表面利用电子束蒸发镀一层介质，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光刻胶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全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。

本发明还公开了上述全介质像素式全斯托克斯成像偏振器的制备方法，包括以下步骤：利用化学气相沉积法在透光基底表面生长出一层介质层，然后利用聚焦离子束直写工艺或者光刻工艺在介质层上制备超像素单元（线栅和Z型通孔），即得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。

本发明全介质像素式全斯托克斯成像偏振器由透明二氧化硅基底和半导体介质层组成；所述介质层由超像素单元阵列组成；所述超像素单元包括三个不同趋向的介质线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型通孔结构单元阵列构成；Z型通孔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．本发明首次公开了全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，可以实现实时全偏振成像；全介质像素式全斯托克斯成像偏振器线偏振片的透过率在1.40μm-1.60μm为99%以上，消光比20dB以上，最高可到70dB；其圆二色性在1.50μm-1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%，取得了意想不到的技术效果。

2．本发明公开的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器结构合理、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．本发明公开的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，制备原料来源广、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。

4. 公开的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器性能优良、结构简单，并且在工艺制备上与现代半导体制作工艺兼容，为下一步实现全斯托克斯像素式偏振元件实际应用奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为实施例一的全介质像素式全斯托克斯成像偏振器以及超像素单元结构阵列示意图；

图2为实施例一的全斯托克斯矢量偏振器中多趋向的介质线栅结构截面结构示意图；

图3为实施例一的全斯托克斯矢量偏振器中Z型通孔结构单元的俯视结构示意图；

其中：1、二氧化硅基底；2、0°趋向的介质线栅结构；3、45°趋向的介质线栅结构；4、90°的介质线栅结构；5、Z型通孔结构单元；6、手性结构；

图4为实施例一中周期P对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响图；

图5为实施例一中横向臂长L1对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响图；

图6为实施例一中纵向臂长L2对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响图；

图7为实施例一中通孔宽度W对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响图；

图8为实施例一中介质层厚度H对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响图；

图9为实施例二中线偏振光（TE，TM）由基底入射到介质线栅结构后的透过率曲线图；

图10为实施例二中线偏振光（TE，TM）由基底入射到介质线栅结构后的消光比曲线图。

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，为全介质像素式全斯托克斯成像偏振器结构示意图（右图）以及超像素单元结构阵列示意图（左图）；全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，包括透光二氧化硅基底1以及位于基底上的介质层；介质层由超像素单元阵列组成；超像素单元包括0°趋向的介质线栅结构2；45°趋向的线栅结构3；90°趋向的线栅结构4；Z型通孔结构单元5；手性结构6；多个超像素单元阵列组合即得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。

参见附图2，为0°趋向的介质线栅结构的截面结构示意图，为了表示更清楚，附图包括透光二氧化硅基底1，0°趋向的介质线栅结构2，其周期P为0.99μm，占空比为1/4；介质层的厚度H为0.25μm。90°趋向的介质线栅结构和45°趋向的介质线栅结构的参数与0°趋向的介质线栅结构一致。

参见附图3，Z型通孔结构周期P为0.98μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm，介质层（顶层硅层）的厚度H为0.25μm；上述全介质像素式全斯托克斯成像偏振器的制作方法，包括如下步骤：

（1）二氧化硅表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层硅，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Z型结构单元以及0°趋向、45°趋向、90°趋向的线栅结构光刻胶结构；

（3）使用反应离子束工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。

附图4为周期P对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响；由图可见透过率的相应峰值随P的增大发生红移。附图5和附图6为纵向臂长L1和横向比长L2对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响。由图可知，纵向臂长对透过率的影响不大，单横向臂长的增大会引起峰值的红移。附图7通孔宽度W对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响；由图可知，随着通孔的增加右旋圆偏振光的透过率有所下降，整体的区分度降低。附图8介质层厚度H对左右旋圆偏振光由基底入射Z型通孔结构后的透过率曲线的影响。由图可见，随着介质层厚度的增加圆偏振光的区分度有所下降，但作用带宽有所增加。因此可以根据实际器件的要求综合考虑介质层厚度的实际取值。当Z型通孔结构周期P为0.98μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm，介质层（顶层硅层）的厚度H为0.25μm时，其圆二色性在1.50μm-1.61μm波段平均在70%以上。

实施例二

一种全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，包括透光基底以及位于基底上的介质层；介质层由超像素单元阵列组成；超像素单元包括0°趋向的线栅结构、90°趋向的线栅结构、45°趋向的线栅结构和Z型通孔结构单元阵列构成；多个超像素单元阵列组合即得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。介质线栅的周期为P=0.99μm，占空比为1/4；介质层的厚度H=0.25μm，Z型通孔结构周期P为0.98μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm。制备方法如下：

（1）二氧化硅表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层硅；

（2）利用聚焦离子束直写技术直接刻蚀出线栅和Z型通孔结构，为全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。

附图9为实施例二中线偏振光（TE，TM）由基底入射到介质线栅结构后的透过率曲线。由图可知，TM光的透过率在相应波段接近100%。附图10为实施例二中线偏振光（TE，TM）由基底入射到介质线栅结构后的消光比曲线。由图可知，全介质像素式全斯托克斯成像偏振器线偏振片在1.40μm-1.60μm消光比20dB以上，最高可到70dB。

实施例三

二氧化硅表面利用电子束蒸发法生长出一层硅；利用聚焦离子束直写技术直接刻蚀出线栅和Z型通孔结构，为全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。介质线栅的周期为P=0.99μm，占空比为1/4；介质层的厚度H=0.21μm，Z型通孔结构周期P为0.97μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm。

实施例四

二氧化硅表面利用化学气相沉积法生长出一层硅；利用聚焦离子束直写技术直接刻蚀出线栅和Z型通孔结构，为全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。介质线栅的周期为P=1.04μm，占空比为1/4；介质层的厚度H=0.27μm，Z型通孔结构周期P为1μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm。

实施例五

二氧化硅表面利用化学气相沉积法生长出一层硅，用匀胶机涂上一层光刻胶；利用电子束曝光和显影技术得Z型结构单元以及0°趋向、45°趋向、90°趋向的线栅结构光刻胶结构；使用反应离子束工艺刻蚀，接着去除残余光刻胶得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器。介质线栅的周期为P=0.98μm，占空比为1/5；介质层的厚度H=0.25μm，Z型通孔结构周期P为0.98μm；纵向臂长L1为0.20μm，横向臂长L2为0.50μm，缝宽W为0.32μm。

Claims (2)

1.一种全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件的制备方法，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介质层，然后涂上一层光刻胶；然后经过电子束曝光显影、反应离子束工艺刻蚀、去除残余光刻胶，得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器；或者包括以下步骤：利用化学气相沉积法在透光基底表面生长出一层介质层，然后利用聚焦离子束直写工艺在介质层上直接制备超像素单元阵列结构，即得到全介质像素式全斯托克斯成像偏振器；所述全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件包括透光基底以及位于透光基底上的介质层；所述介质层由超像素单元阵列组成；所述超像素单元包括三个不同趋向的介质线栅结构和一个手性结构；所述手性结构由Z型通孔结构单元阵列构成；所述介质线栅结构的周期为0.99μm，占空比为1/4；所述手性结构中，Z型通孔结构单元的周期为0.98μm；所述介质层的厚度为0.25μm；所述介质线栅结构的趋向为0°、45°以及90°；所述透光基底为二氧化硅透光基底；所述介质层为硅介质层。

2.根据权利要求1所述全介质像素式全斯托克斯成像偏振器，其特征在于：所述手性结构中，相邻Z型结构单元不接触。

Images