CN110954974B - 一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其能够通过调控亚波长单元结构几何特性以及排列方式实现对红外波段所有偏振光实时检测与成像。该偏振成像器主要由设置在基底层上的极薄单层亚波长单元结构阵列组成，不同几何尺寸的亚波长单元结构对x、y、45°、135°、左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光的具有不同的电磁响应特性，能够实现对六种偏振光的独立调控。该偏振成像器主要依靠分焦平面偏振成像方式，能够同时将六种偏振光聚焦在同一焦平面不同位置，当任意偏振光照射到器件上时，通过Stokes矢量函数可以解算出入射光的偏振状态。该偏振成像器在红外偏振成像探测领域具有重要的应用。

Description

一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器
技术领域
本发明属于微纳光学设计领域，具体涉及一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器。
背景技术
红外成像探测技术因其隐蔽性好、成像距离远以及抗干扰等特性而在海洋、空间探测以及生物医学等方面具有重要应用价值。传统的红外光学成像技术主要通过探测热辐射强度来获取目标信息，当目标所在背景干扰较大或者目标辐射强度较低时，单纯的辐射强度信息已无法准确识别探测目标。偏振是光除了波长、强度以及相位之外的另一个重要特征，在光与物质相互作用过程中，光的偏振能够反应目标的表面形态、折射率以及结构纹理等特性，而且不同目标具有不同的偏振特性，它能够有效抑制背景干扰，提高目标与背景的对比度，增加的目标的信息维度，在复杂环境中红外偏振成像能够实现对目标物的准确识别与探测。红外偏振成像技术实现对目标偏振态的探测主要依靠Stokes矢量，在探测过程中获取Stokes矢量参数，进而计算出目标辐射的偏振信息。传统实现红外偏振成像的方法主要有分时型、分振幅型、分孔径型以及分焦平面型，但是这些技术在体积、质量、实时性以及集成性等方面还存在缺陷，不利于当前光学系统微型化、集成化以及轻量化的发展。
超表面是近年来出现的一种新型亚波长二维平面结构，它能够在极薄的表面上实现对电磁波的振幅、偏振以及相位的灵活调控，具有结构设计灵活、超薄、平面化、易集成等特点，能够实现传统光学元件实现的聚焦、全息以及超振荡等功能，是目前最有希望替代传统光学元件的结构。基于超表面的偏振成像技术也得到了相应的发展，但是当前提出能够实现全Stokes矢量的偏振成像器件大部分工作的可见以及近红外波段，而在中红外波段仍无法实现对Stokes矢量参数的全部同时测试，使其在红外探测应用方面受限。
发明内容
针对现有基于超表面的红外偏振成像器件存在的问题，本发明的目的是提供一种基于超表面的全Stokes矢量红外偏振成像器件，在红外波段实现对目标的全偏振成像探测。
本法明采用的技术方案如下：一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，包括：设置在基底2上的单层亚波长单元结构阵列1，单元结构具有不同的特征尺寸，分焦平面偏振实时成像，一次测试能够同时得到Stokes的全部参数。
进一步地，所述的亚波长单元结构为六边形周期结构，结构上起主要作用的为具有高深宽比的矩形柱与椭圆形柱。
进一步地，所述亚波长单元结构材料为介质，材质包括硅、氧化铝、氟化镁等，在中红外波段具有高的透过率。
进一步地，所述的具有不同特征尺寸的单元结构有三组。
进一步地，所述的三组单元结构分别对三对(x/y、45°/135°、左/右旋圆偏振光)正交偏振光实现独立相位调控，每组单元结构能够实现0到2π相位调控，其中x/y，45°/135°偏振基于超表面的传输相位，相位梯度为π/4，左右旋圆偏振光的调控利用几何相位与传输相位的结合，相位梯度同样为π/4。
进一步地，所述的单元结构组，x与y线偏振需要8×8个单元结构，结构为矩形柱，45°与135°线偏振为8×8个单元结构，结构为矩形柱，左右旋圆偏振为8个单元结构，结构为椭圆形柱。
进一步地，所述的阵列形式为三组单元结构交叉排列。
进一步地，所述的全偏振为x偏振、y偏振、45°偏振、135°偏振、左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光。
进一步地，所述的分焦平面成像，六种偏振光分量在焦平面上的聚焦形式为3×2阵列形式，焦距为300μm。
进一步地，所述的基底层为介质硅；单元结构的工作波长为10.6μm，单元结构厚度10μm，周期小于工作波长。
本发明的原理在于：基于超表面的全Stokes矢量红外偏振成像器件主要由设置在基底上的单层亚波长介质单元结构阵列组成，单元结构具有不同的几何特性，在中红外波段能够实现对六种偏振光的独立调控，不同类型的单元结构按规律交叉排列，构成分焦平面的成像方法，实现全Stokes矢量参数的实时探测，最终获得目标物的偏振信息。
本发明的有益效果如下：
1.本发明基于超表面在中红外波段实现全Stokes矢量的偏振成像，单元结构在亚波长尺寸范围内，能够有效降低器件尺寸，实现小型化器件，另外亚波长尺寸能够有效降低高阶衍射光的干扰；
2.本发明实现所利用的单元结构形状不受限制，并且容易设计加工；
3.本发明实现分焦平面偏振成像，单元结构交叉排列，提高器件的紧凑型与集成性；
4.本发明可以在中红外波段实现对Stokes矢量中全部参数的实时测量，提高了探测效率。
5.本发明设计的单元结构在不同偏振下的振幅调控比较均匀，降低误差，使得器件偏振测试更加准确高效。
6.本发明所利用的介质材料在中红外具有较高的透过率，有利于实际应用。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为单元结构示意图，其中，图2(a)为单元结构三维示意图，图2(b)为矩形柱俯视图，图2(c)为椭圆柱俯视图。
图3为单元结构相位振幅尺寸曲线图；其中，图3(a)为第一排左右旋圆偏振传输相位图，第二排振幅调控图，第三排对应结构尺寸，图3(b)为第一排x与y相位调控图，第二排振幅调控图，第三排对应结构尺寸。
图4为单元结构排列规律图。
图5为不同偏振光入射下器件在焦平面上的强度分布图。
图中符号意义：P代表周期，l代表矩形结构长度，w代表矩形结构宽度，a为椭圆长轴长度，b为椭圆短轴长度，h为结构厚度，
Figure BDA0002290394370000031
与
Figure BDA0002290394370000032
分别为x与y偏振光的相位tTE与tTM分别为x与y偏振光的透过振幅，
Figure BDA0002290394370000033
为圆偏振光的相位tc圆偏振光的振幅。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
下面结合附图详细阐述本发明的实施方式：
如图1所示，基于超表面的全Stokes矢量中红外偏振成像器件，主要由设置在基底上的介质亚波长单元结构阵列组成，能够实现对x、y、45°、135°、左旋以及右旋圆偏振光的同时聚焦调控，进而得到Stokes矢量的参数信息，实现对目标物的偏振探测。本发明的实现利用的超表面单元结构为六边形周期结构，如图2所示，结构上起主要调控作用是矩形硅柱与椭圆形硅柱，结构的工作波长为10.6μm，硅结构的厚度h＝10μm，基底材料同为硅，厚度不作要求。要实现全Stokes矢量参数的测量，需要硅柱对六种偏振光实现独立调控，本发明主要有三组不同类型的硅柱，对于x与y方向的线偏振光，要求单元结构在实现对x偏振光0到2π相位调控的同时对y偏振光相位无影响，反之亦然，本发明中调控x与y偏振利用的是超表面的传输相位，即改变高深宽比矩形硅柱的长宽来实现相应相位调控，为简化设计，令相位梯度为π/4，所以最终实现对x与y线偏振调控的单元结构个数为8×8，最终结构实现的相位、振幅以及尺寸如图3(a)。对于左右旋圆偏振光，要实现两种偏振光的独立调控，需要几何相位与传输相位相结合，本发明对左右旋圆偏振光的调控利用的是椭圆形硅柱，传输相位通过改变高深宽比的椭圆形硅柱长短半轴实现对两种偏振光0到2π的传输相位调控，图3(b)为结构对圆偏振光的传输相位、振幅的以及相应尺寸图，相位梯度为π/4。几何相位与椭圆形硅柱长轴旋转角度有关，实现相位与旋转角度的关系可以表示为：
Figure BDA0002290394370000041
其中±分别代表入射的左右旋圆偏振光，θ为硅柱的长轴与x轴的夹角，
Figure BDA0002290394370000042
为实现的相位调控，同样所用相位梯度为π/4。对于45°与135°方向的偏振光，只需将调控x与y方向偏振光的单元结构旋转45°。三组单元结构按六边形交叉排列实现分焦平面偏振探测，如图4。每个偏振的相位可以表示为：
Figure BDA0002290394370000043
其中，
Figure BDA0002290394370000044
聚焦平面任意点R(x,y)距离聚焦点的距离，λ为入射波长，f为焦距。本发明设计的偏振成像器件为半径200μm的圆形，设计的x、y、45°、135°、左旋以及右旋圆偏振光的焦距为300微米，以及聚焦在焦平面的位置分别为(50μm，50μm)、(-50μm，50μm)(50μm，0μm)、(-50μm，0μm)、(50μm，-50μm)以及(-50μm，-50μm)。将相应数据带入公式1中，可以得到对应偏振的相位分布，将单元结构按照其所调控偏振光的相位按六边形交叉排列，如图4所示。六种偏振光分别单独入射时，器件在焦平面上光场强度分布如图5所示，当入射光为任意偏振光时，根据强度分布获得Stokes中的各个参数，计算得到入射光的偏振态。

Claims (8)

1.一种基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于，包括：设置在基底(2)上的单层亚波长单元结构阵列(1)，单元结构具有不同的特征尺寸，分焦平面偏振实时成像，一次测试能够同时得到Stokes的全部参数；
所述的具有不同特征尺寸的单元结构有三组；
所述的阵列形式为三组单元结构交叉排列。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的亚波长单元结构为具有高深宽比的矩形柱与椭圆形柱。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述亚波长单元结构材料为介质，厚度为10μm，单元结构周期小于工作波长，材质包括硅、氧化铝、氟化镁，在中红外波段具有高的透过率。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的三组单元结构分别对三对(x/y、45°/135°、左/右旋圆偏振光)正交偏振光实现独立相位调控，每组单元结构能够实现0到2π相位调控，其中x/y，45°/135°偏振基于超表面的传输相位，相位梯度为π/4，左右旋圆偏振光的调控利用几何相位与传输相位的结合，相位梯度同样为π/4。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的单元结构组，x与y线偏振需要8×8个单元结构，45°与135°线偏振为8×8个单元结构，左右旋圆偏振为8个单元结构。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的全偏振为x偏振、y偏振、45°偏振、135°偏振、左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的分焦平面成像，六种偏振光分量在焦平面上的聚焦形式为3×2阵列形式，焦距为300μm。
8.根据权利要求1所述的基于超表面的全Stokes红外偏振成像器，其特征在于：所述的基底为介质硅；单元结构的工作波长为10.6μm。
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