CN108878466A - 全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种全斯托克斯偏振成像元件，包括透光基底和位于透光基底上的介质结构层，所述的介质结构层由超像素单元阵列组成，所述的超像素单元包括4个不同取向的介质线栅结构和2个不同旋向的旋转对称手性结构。该元件可通过电子束曝光和显影技术以及反应离子束刻蚀等工艺流程制得。该元件可实现实时全偏振成像，该全斯托克斯偏振成像元件中线偏振片的透过率在1.7～1.8μm处为99％以上，消光比20dB以上，最高可达到55dB；其圆偏振二色性在1.75μm处圆二色性最高可达到96.8％；同时，该元件结构简单、性能优良，同时原料来源广、制备简易，在偏振成像领域具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及偏振光学元件，具体涉及一种全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法。
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。由菲涅尔公式可知，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。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。2012年，Bachma等人在提出了一种含有腔结构的双螺旋线圆偏振片之后，又结合前期报到的表面等离子体超高微偏振器件进一步提出了全偏振器件(Bachman,K.A.,Opt.Express,20,1308-1319(2012))。但圆偏振二色性结构的透过率很低，仅为4.9％，且制作工艺复杂，难以真正制备出与实际探测器相匹配的真实器件。同年，Afshinmanesh等人提出并制作了一种能够测量全Stokes偏振矢量的硅基光探测器。他们通过将具有阿基米德线型的圆偏振二色性结构单元与线型狭缝偏振结构单元结合制作出像素式全Stokes偏振器件(Afshinmanesh,F.Nanophotonics,1,125–129(2012))。但由于阿基米德线型圆偏振二色性器件的性能不够理想，该圆偏振结构单元的消光比理论值为1.96，实验测量值仅为1.13，因此严重影响了探测器的性能。2015年，Hsu W.L.等人基于二色性染料、液晶和胆甾型液晶手性掺杂剂的特殊性质，设计并制备了与CCD结合的像素式全Stokes矢量偏振器件(Hsu,W.L.,Opt.Express,23,4357–4368(2015))。但由于使用二色性染料制备出的偏振器的消光比不高而且多层液晶膜结构制作工艺复杂，这些因素严重限制了该类型全Stokes偏振器件的应用。
综上所述，现有材料存在明显的偏振光透过率不高等缺点，无法适合工业应用，因此严重限制了像素式偏振成像的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法，所述的偏振元件能够实现实时全偏振成像，并具有高透过率、高消光比、结构简单、易于制备等优点，克服了现有偏振器件光学性能不高，工艺复杂、难于兼容等缺点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种全斯托克斯偏振成像元件，包括透光基底和位于透光基底上的介质结构层，所述的介质结构层由超像素单元阵列组成，所述的超像素单元包括4个不同取向的介质线栅结构和2个不同旋向的旋转对称手性结构，所述的介质结构层的厚度的变化范围为0.26～0.29μm；
所述的旋转对称手性结构(6)分别由2个第一臂和2个第二臂交叉构成，周期的变化范围为1.0～1.2μm，第一臂的长度的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂的长度的变化范围为1.00～1.07μm且小于等于周期，第一臂的宽度的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂的宽度的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂中心点之间的水平距离的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂之间的中心距离的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂的方向为纵向，第一臂与第二臂之间的夹角θ的变化范围为40°～55°；
所述的旋转对称手性结构(7)分别由2个第一臂和2个第二臂交叉构成，周期的变化范围为1.0～1.2μm，第一臂的长度的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂的长度的变化范围为1.00～1.07μm且小于等于周期，第一臂的宽度的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂的宽度的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂中心点之间的水平距离的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂之间的中心距离的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂的方向为纵向，第一臂与第二臂之间的夹角θ的变化范围为125°～140°；
所述的介质线栅结构周期的变化范围为1.0～1.2μm，线栅的宽度W的变化范围为0.2～0.3μm，占空比为1/4～1/5；，4个不同取向的介质线栅结构与纵向方向的夹角分别为0°、45°、90°以及135°。
本发明中，每个像素单元的周期尺寸由探测器的实际像素大小决定。介质线栅结构和旋转对称手性结构的厚度H一致，因此可保证两者制备工艺兼容。
优化的结构参数为：所述的介质结构层的厚度为0.27μm；
所述的旋转对称手性结构(6)周期为1.05μm，第一臂的长度为0.6μm，第二臂的长度为1.05μm，第一臂的宽度为0.15μm，第二臂的宽度为0.2μm，2个第一臂中心点之间的水平距离为0.25μm，2个第二臂之间的中心距离为0.3μm，第一臂与第二臂之间的夹角θ为45°；
所述的旋转对称手性结构(7)周期为1.05μm，第一臂的长度为0.6μm，第二臂的长度为1.05μm，第一臂的宽度为0.15μm，第二臂的宽度为0.2μm，2个第一臂中心点之间的水平距离为0.25μm，2个第二臂之间的中心距离为0.3μm，第一臂与第二臂之间的夹角θ为135°；
所述的介质线栅结构周期为1.05μm，线栅的宽度为0.25μm，占空比为1/4～1/5。
本发明中，所述的透光基底为无机氧化物透光基底；所述的介质结构层为半导体材料介质层。所述的透光基底优选为二氧化硅透光基底；所述的介质结构层优选为硅、锗或砷化镓半导体材料介质层，更优选硅半导体材料介质层。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。
本发明进一步公开了上述全斯托克斯偏振成像元件的制备方法，其包括如下步骤：
(1)在透光基底表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层介质结构层；
(2)在介质结构层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到0°、90°、45°和135°不同取向的线栅和左右旋旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀介质结构层，去除残余光刻胶得到全斯托克斯偏振成像元件。
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.本发明公开的全斯托克斯偏振成像元件，可以实现实时全偏振成像；全斯托克斯偏振成像元件中线偏振片的透过率在1.7～1.8μm处为99％以上，消光比20dB以上，最高可达到55dB；其圆偏振二色性在1.75μm处圆二色性最高可达到96.8％，取得了极高的技术效果。
2.本发明公开的全斯托克斯偏振成像元件为2D结构，材料为二氧化硅或硅，因此，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的实际应用奠定了坚实的基础。
本发明全斯托克斯偏振成像元件在光学成像系统中具有很大的应用价值。
附图说明
图1为实施例1的全斯托克斯偏振成像元件超像素结构示意图。其中：1、透明基底；2、0°介质线栅；3、90°介质线栅；4、45°介质线栅；5、135°介质线栅；6、左旋向旋转对称手性介质结构；7、右旋向旋转对称手性介质结构。
图2为实施例1的超像素单元结构中介质线栅结构2的垂直线栅截面示意图。其中：21、透明基底；22、介质线栅层；P、介质线栅结构周期；W、线栅的宽度；H、介质结构层的厚度。
图3为实施例1的超像素单元结构中左旋向旋转对称手性介质结构(6)示意图。其中：P、旋转对称手性结构(6)周期；31、第一臂，L1、第一臂长度，W1、第一臂宽度，d1、2个第一臂中心点之间的水平距离；32、第二臂，L2、第二臂长度，W2、第二臂宽度，d2、2个第二臂之间的中心距离；θ、第一臂与第二臂之间的夹角。
图4为实施例1的超像素单元结构中右旋向旋转对称手性介质结构(7)示意图。其中：P、旋转对称手性结构(7)周期；41、第一臂，L1、第一臂长度，W1、第一臂宽度，d1、2个第一臂中心点之间的水平距离；42、第二臂，L2、第二臂长度，W2、第二臂宽度，d2、2个第二臂之间的中心距离；θ、第一臂与第二臂之间的夹角。
图5为实施例1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6为实施例1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。
图7为实施例1中圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到左旋向旋转对称手性结构后的透过率曲线图。
图8为实施例1中线偏振光(RCP，LCP)由基底入射到左旋向旋转对称手性结构后的圆偏振二色性。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
图1为全斯托克斯偏振成像元件实施例1的结构示意图，包括0°取向介质线栅结构、90°取向的介质线栅结构、45°取向的介质线栅结构、135°取向的介质线栅结构、左旋向旋转对称手性介质结构和右旋向旋转对称手性介质结构。
该元件通过如下步骤制得：
(1)在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)在硅层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到0°、90°、45°和135°不同取向的线栅和左右旋旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀硅层，去除残余光刻胶得到全斯托克斯偏振成像元件。
图2为超像素单元结构中线偏振片截面结构示意图，其中包含二氧化硅基底和硅光栅结构。
图3和图4分别为左旋向和右旋向旋转对称手性结构，两结构都是由两个第一臂和两个第二臂交叉构成，但两者的旋向不同。
图5是实施例1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。所述介质结构线栅参数为优选参数。由图可见，
TM偏振光(线偏振方向垂直于线栅)的透过率在1.7～1.8μm波段处接近100％，而TE偏振光(线偏振方向平行于线栅)的透过率几乎为零，图6为实施例1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。由图可见，该介质线栅结构的消光比在该波段在20dB以上，最高可达到55dB。
图7和图8分别为左右旋圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到旋转对称手性结构后的透过率曲线图和圆偏振二色性曲线图。可以看出，左右旋圆偏振光经过旋转对称手性结构之后，在不同的波长处会出现共振峰。其中在～1.75μm处，由于结构的旋性和圆偏振光的旋性存在相位匹配的不同，导致共振峰的性质发生变化，对于右旋圆偏振光产生干涉相涨，而左旋圆偏振光出现干涉相消的作用。如图8所示，结构在该波长处存在较大的圆偏振二色性，在1.75μm处圆二色性最高可达到96.8％。
实施例2
旋转对称手性结构参数为：介质结构层的厚度H为0.26μm；旋转对称手性结构的周期P为1.0μm，臂长L1为0.5μm，臂长L2为1.0μm，两臂L1之间的距离d1为0.21μm，两臂L2之间的距离d2为0.24μm，臂宽W1为0.12μm，臂宽W2为0.17μm，两臂之间的夹角θ为40°；介质线栅结构的周期P为1.0μm，线栅宽度W为0.2μm。
实施例3
旋转对称手性结构参数为：介质结构层的厚度H为0.29μm；旋转对称手性结构的周期P为1.2μm，臂长L1为0.8μm，臂长L2为1.07μm，两臂L1之间的距离d1为0.27μm，两臂L2之间的距离d2为0.33μm，臂宽W1为0.21μm，臂宽W2为0.26μm，两臂之间的夹角θ为55°；介质线栅结构的周期P为1.2μm，线栅宽度W为0.3μm。
Claims (5)
1.一种全斯托克斯偏振成像元件，包括透光基底(1)和位于透光基底上的介质结构层，所述的介质结构层由超像素单元阵列组成，所述的超像素单元包括4个不同取向的介质线栅结构(2,3,4,5)和2个不同旋向的旋转对称手性结构(6,7)，所述的介质结构层的厚度(H)的变化范围为0.26～0.29μm；
所述的旋转对称手性结构(6)分别由2个第一臂(31)和2个第二臂(32)交叉构成，周期(P)的变化范围为1.0～1.2μm，第一臂(31)的长度(L1)的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂(32)的长度(L2)的变化范围为1.00～1.07μm且小于等于周期(P)，第一臂(31)的宽度(W1)的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂(32)的宽度(W2)的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂(31)中心点之间的水平距离(d1)的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂(32)之间的中心距离(d2)的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂(32)的方向为纵向，第一臂(31)与第二臂(32)之间的夹角θ的变化范围为40°～55°；
所述的旋转对称手性结构(7)分别由2个第一臂(41)和2个第二臂(42)交叉构成，周期(P)的变化范围为1.0～1.2μm，第一臂(41)的长度(L1)的变化范围为0.5～0.8μm，第二臂(42)的长度(L2)的变化范围为1.00～1.07μm且小于等于周期(P)，第一臂(41)的宽度(W1)的变化范围为0.12～0.21μm，第二臂(42)的宽度(W2)的变化范围为0.17～0.26μm，2个第一臂(41)中心点之间的水平距离(d1)的变化范围为0.21～0.27μm，2个第二臂(42)之间的中心距离(d2)的变化范围为0.24～0.33μm，所述的第二臂(42)的方向为纵向，第一臂(41)与第二臂(42)之间的夹角θ的变化范围为125°～140°；
所述的介质线栅结构周期(P)的变化范围为1.0～1.2μm，线栅的宽度(W)的变化范围为0.2～0.3μm，占空比为1/4～1/5；4个不同取向的介质线栅结构(2、3、4、5)与纵向方向的夹角分别为0°、45°、90°以及135°。
2.根据权利要求1所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的介质结构层的厚度(H)为0.27μm；
所述的旋转对称手性结构(6)周期(P)为1.05μm，第一臂(31)的长度(L1)为0.6μm，第二臂(32)的长度(L2)为1.05μm，第一臂(31)的宽度(W1)为0.15μm，第二臂(32)的宽度(W2)为0.2μm，2个第一臂(31)中心点之间的水平距离(d1)为0.25μm，2个第二臂(32)之间的中心距离(d2)为0.3μm，第一臂(31)与第二臂(32)之间的夹角θ为45°；
所述的旋转对称手性结构(7)周期(P)为1.05μm，第一臂(41)的长度(L1)为0.6μm，第二臂(42)的长度(L2)为1.05μm，第一臂(41)的宽度(W1)为0.15μm，第二臂(42)的宽度(W2)为0.2μm，2个第一臂(41)中心点之间的水平距离(d1)为0.25μm，2个第二臂(42)之间的中心距离(d2)为0.3μm，第一臂(41)与第二臂(42)之间的夹角θ为135°；
所述的介质线栅结构周期(P)为1.05μm，线栅的宽度(W)为0.25μm，占空比为1/4～1/5。
3.根据权利要求1所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的透光基底为无机氧化物透光基底；所述的介质结构层为半导体材料介质层。
4.根据权利要求3所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的透光基底为二氧化硅透光基底；所述的介质结构层为硅、锗或砷化镓半导体材料。
5.权利要求1所述的全斯托克斯偏振成像元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在透光基底表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层介质结构层；
(2)在介质结构层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到0°、45°、90°和135°不同取向的线栅和左右旋旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀介质结构层，去除残余光刻胶得到全斯托克斯偏振成像元件。
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