全介質像素式全斯托克斯成像偏振器件的制作方法

本實用新型涉及光學元件制備技術，具體涉及一種基于表面等離子基元的全斯托克斯矢量偏振器的設計與制作。

背景技術：

近年來，隨著偏振技術的不斷發展，其在目標識別與探測方面發揮著越來越重要的作用。有菲涅爾公式可知，當物體在發射、反射、散射以及透射電磁波的過程中，會產生與自身特性相關的特定偏振信息。不同物體，甚至不同狀態的相同物體的偏振信息都會存在差別。偏振探測可以提供比傳統強度探測和光譜探測更多的關于目標的信息。偏振成像技術成為傳統強度成像和光譜成像之外的第三種成像技術，逐漸引起各國研究者越來越多的關注。偏振成像技術是將偏振探測技術與成像技術相結合的產物。偏振成像技術主要是在原有的成像系統上，增加偏振檢測裝置，配合相應的偏振調制器件和偏振測量算法，通過測量光線的各個偏振分量，進而得到被測光線的部分或全部的偏振狀態信息，通常是Stokes矢量圖像或Mueller矩陣圖像，用以表征被測光線的偏振狀態。通過對這些偏振信息圖像的分析和計算，可以進一步得到更多的偏振參數圖像，如偏振度、偏振角、橢圓率角、偏振傳輸特性等圖像，其結果可用于分析被測物的形狀，粗糙度、介質性質甚至生物化學等各項特征信息。

近幾十年來，偏振成像技術已經成為國內外眾多高校和科研機構的研究對象，在天文探測、目標識別、醫療、軍事、測量等眾多方面具有重要的作用，發揮著巨大的潛力。例如：（1）在天文領域，偏振成像探測最早應用于行星表面土壤、大氣探測和恒星、行星以及星云狀態等的探測。在許多天文觀測領域，偏振測量或者偏振成像都是非常重要的輔助手段。（2）偏振信息圖像可以增強目標與背景的對比度，實現目標檢測或增強的作用。偏振相機不僅可以用于目標識別，還可以利用消除反射光提高信噪比，增強被測目標的分辨能力。由于偏振圖像特別適用于物體的邊緣形狀檢測，因此還可以利用測量得到的偏振圖像回復被測物體的幾何形狀，特別對透明物體的檢測和形狀恢復具有重要意義。（3）在醫療領域，可以通過偏振圖像進行無接觸、無痛和無損的病變檢測，尤其適用于皮膚和眼部的檢測。（4）在軍事方面，由于人造物體與自然背景的偏振特性差異比較大，即使是反射率相近的軍事偽裝物與自然環境之間，在偏振特征圖像上都會有比較明顯的差別，因此偏振成像技術是非常有效的軍事識別手段。

傳統的偏振成像技術一般是通過高速旋轉偏振片，來獲得物體不同偏振方向的信息，但是這種方法只能適用于靜態物體或者低速移動物體的探測，無法實時獲取目標在同一時刻的不同偏振方向的偏振信息，并且這種方法對成像系統的穩定性要求比較高。像素式微型偏振器陣列的出現解決了這個問題，它通過將不同取向的金屬光柵偏振器集合到一個陣列中，可以將此陣列與CCD相機相結合，陣列中的像素與CCD相機的像素一一對應，因而可以同時獲得物體不同偏振方向上的偏振信息，實現實時偏振成像，并且無需旋轉偏振片，因而對成像系統的穩定性要求較低。這樣，同一目標場景的全Stokes矢量偏振信息就能一次性獲得，并且結構簡單，可以實現實時全偏振成像。在此方案中，重點在于獲得性能良好，易于制備的全Stokes矢量偏振器陣列。但是現有材料存在明顯的問題，即偏振光的透過率不高。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種全介質像素式全斯托克斯成像偏振器及其制備方法，能夠實現可以實現實時全偏振成像，并具波段較寬，結構簡單，易于制作的特點，克服了現有材料偏振光的透過率不高等缺點。

為達到上述實用新型目的，本實用新型采用的技術方案是：

一種全介質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質層；所述介質層由超像素單元陣列組成；所述超像素單元包括三個不同趨向的介質線柵結構和一個手性結構；所述手性結構由Z型通孔結構單元陣列構成；所述介質線柵結構的周期為0.98μm-1.04μm，占空比為1/4-1/5；所述手性結構中，Z型通孔結構單元的周期為0.97μm-1.0μm；所述介質層的厚度為0.21μm -0.27μm。

本實用新型中，以Z型通孔結構單元兩條平行邊的方向為橫向，與橫向垂直的水平方向為縱向。三個不同趨向的介質線柵結構分別為0°、45°以及90°趨向的介質線柵結構；介質線柵結構的趨向是指介質線柵結構中凹槽的朝向，三個角度是以縱向作為基準，即0°趨向則是與縱向平行，90°趨向與縱向垂直，45°趨向與縱向成45°夾角。超像素單元包含四個相互獨立的方形結構，其中三個方形結構是趨向為0°、45°以及90°的柵線結構，第四個為手性Z型通孔陣列結構，0°、45°、90°趨向的介質線柵結構以及手性結構所占面積大小由實用像素相機像素決定。

本實用新型中，每個超像素單元的周期尺寸由探測器的實際像素大小決定。Z型通孔結構單元貫穿介質層，其厚度和介質線柵厚度一致，能夠兼容線偏振和圓偏振片制作；所述手性結構中，相鄰Z型結構單元不接觸，以提高結構的圓偏振二色性強度。優選的，超像素結構單元中，所述介質線柵結構的周期為0.99μm，占空比為1/4；所述Z型通孔結構單元的周期為0.98μm；所述介質層的厚度為0.25μm。參見本實用新型實施例一，介質線柵周期為0.99μm，占空比為1/4；Z型通孔結構周期為0.98μm縱向臂長為0.20μm，橫向臂長為0.50μm，縫寬為0.32μm，介質層（頂層硅層）的厚度為0.25μm；通過限定，可以使結構達到波段最寬，圓二色性較好的優點；得到的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器線偏振片的透過率在1.40μm-1.60μm接近100%，消光比20dB以上，最高可到70dB；其圓二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達到98.3%，取得了意想不到的技術效果。

本實用新型中，所述透光基底為無機氧化物透光基底；所述介質層為半導體介質層；優選所述透光基底為二氧化硅基底；所述介質為硅半導體材料。二氧化硅為常用的光學材料，同時硅的制作工藝較為成熟，而且價格便宜，而且硅與其氧化物的結合有效的消除了材料對光的吸收，有利于結構發揮全斯托克斯成像效果。

本實用新型公開的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器的結構參數對應的工作波段為通訊波段，可根據結構參數的選取進行調制，獲得最佳效果，在光學成像系統具有很大的應用價值。

上述全介質像素式全斯托克斯成像偏振器的制備方法，包括以下步驟：在透光基底表面利用電子束蒸發鍍一介質層，然后涂上一層光刻膠；然后經過電子束曝光顯影、反應離子束工藝刻蝕、去除殘余光刻膠，得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器；具體的在透光基底表面利用電子束蒸發鍍一層介質，然后涂上一層光刻膠；然后利用電子束曝光顯影技術得到三個不同趨向的光刻膠線柵結構和一個手性結構；再使用反應離子束工藝刻蝕；接著去除殘余光刻膠得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。

上述全介質像素式全斯托克斯成像偏振器的制備方法，包括以下步驟：利用化學氣相沉積法在透光基底表面生長出一層介質層，然后利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在介質層上制備超像素單元（線柵和Z型通孔），即得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。

本實用新型全介質像素式全斯托克斯成像偏振器由透明二氧化硅基底和半導體介質層組成；所述介質層由超像素單元陣列組成；所述超像素單元包括三個不同趨向的介質線柵結構和一個手性結構；所述手性結構由Z型通孔結構單元陣列構成；Z型通孔結構單元陣列構成二維手性結構，手形結構是指自身的鏡像不能夠與自身重合。手形結構能夠對入射的左右旋圓偏振光有著不同的反射和透射作用，即圓二色性。

由于上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點:

1．本實用新型首次公開了全介質像素式全斯托克斯成像偏振器，可以實現實時全偏振成像；全介質像素式全斯托克斯成像偏振器線偏振片的透過率在1.40μm-1.60μm為99%以上，消光比20dB以上，最高可到70dB；其圓二色性在1.50μm-1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達到98.3%，取得了意想不到的技術效果。

2．本實用新型公開的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器結構合理、易于制作，結構單元的尺寸參數可調，制備方法與現有的工藝完全兼容；克服了現有技術需要繁瑣的制備過程才能得到檢偏器的缺陷。

3．本實用新型公開的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器，制備原料來源廣、制備簡易，相比現有技術，財力、時間成本更低；并且性能優異，在光學成像系統具有很大的應用價值。

4. 公開的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器性能優良、結構簡單，并且在工藝制備上與現代半導體制作工藝兼容，為下一步實現全斯托克斯像素式偏振元件實際應用奠定了堅實的基礎。

附圖說明

圖1為實施例一的全介質像素式全斯托克斯成像偏振器以及超像素單元結構陣列示意圖；其中B圖為全介質像素式全斯托克斯成像偏振器結構示意圖以及A圖為超像素單元結構陣列示意圖；

圖2為實施例一的全斯托克斯矢量偏振器中多趨向的介質線柵結構截面結構示意圖；

圖3為實施例一的全斯托克斯矢量偏振器中Z型通孔結構單元的俯視結構示意圖；

其中：1、二氧化硅基底；2、0°趨向的介質線柵結構；3、45°趨向的介質線柵結構；4、90°的介質線柵結構；5、Z型通孔結構單元；6、手性結構；

圖4為實施例一中周期P對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響圖；

圖5為實施例一中橫向臂長L1對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響圖；

圖6為實施例一中縱向臂長L2對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響圖；

圖7為實施例一中通孔寬度W對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響圖；

圖8為實施例一中介質層厚度H對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響圖；

圖9為實施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質線柵結構后的透過率曲線圖；

圖10為實施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質線柵結構后的消光比曲線圖。

具體實施方式

下面結合實施例、附圖對本實用新型作進一步描述:

實施例一

參見附圖1所示，為全介質像素式全斯托克斯成像偏振器結構示意圖（B圖）以及超像素單元結構陣列示意圖（A圖）；全介質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質層；介質層由超像素單元陣列組成；超像素單元包括0°趨向的介質線柵結構2；45°趨向的線柵結構3；90°趨向的線柵結構4；手性結構6，手性結構由Z型通孔結構單元5陣列構成；多個超像素單元陣列組合即得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。

參見附圖2，為0°趨向的介質線柵結構的截面結構示意圖，為了表示更清楚，附圖包括透光二氧化硅基底1，0°趨向的介質線柵結構2，其周期P為0.99μm，占空比為1/4；介質層的厚度H為0.25μm。90°趨向的介質線柵結構和45°趨向的介質線柵結構的參數與0°趨向的介質線柵結構一致。

參見附圖3，Z型通孔結構周期P為0.98μm；縱向臂長L1為0.20μm，橫向臂長L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm，介質層（頂層硅層）的厚度H為0.25μm；上述全介質像素式全斯托克斯成像偏振器的制作方法，包括如下步驟：

（1）二氧化硅表面利用電子束蒸發或者化學氣相沉積法生長出一層硅，用勻膠機涂上一層光刻膠；

（2）利用電子束曝光和顯影技術得Z型結構單元以及0°趨向、45°趨向、90°趨向的線柵結構光刻膠結構；

（3）使用反應離子束工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。

附圖4為周期P對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響；由圖可見透過率的相應峰值隨P的增大發生紅移。附圖5和附圖6為縱向臂長L1和橫向比長L2對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響。由圖可知，縱向臂長對透過率的影響不大，單橫向臂長的增大會引起峰值的紅移。附圖7通孔寬度W對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響；由圖可知，隨著通孔的增加右旋圓偏振光的透過率有所下降，整體的區分度降低。附圖8介質層厚度H對左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結構后的透過率曲線的影響。由圖可見，隨著介質層厚度的增加圓偏振光的區分度有所下降，但作用帶寬有所增加。因此可以根據實際器件的要求綜合考慮介質層厚度的實際取值。當Z型通孔結構周期P為0.98μm；縱向臂長L1為0.20μm，橫向臂長L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm，介質層（頂層硅層）的厚度H為0.25μm時，其圓二色性在1.50μm-1.61μm波段平均在70%以上。

實施例二

一種全介質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質層；介質層由超像素單元陣列組成；超像素單元包括0°趨向的線柵結構、90°趨向的線柵結構、45°趨向的介質線柵結構和Z型通孔結構單元陣列構成；多個超像素單元陣列組合即得到全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。介質線柵的周期為P=0.99μm，占空比為1/4；介質層的厚度H=0.25μm，Z型通孔結構周期P為0.98μm；縱向臂長L1為0.20μm，橫向臂長L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm。制備方法如下：

（1）二氧化硅表面利用電子束蒸發或者化學氣相沉積法生長出一層硅；

（2）利用聚焦離子束直寫技術直接刻蝕出線柵和Z型通孔結構，為全介質像素式全斯托克斯成像偏振器。

附圖9為實施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質線柵結構后的透過率曲線。由圖可知，TM光的透過率在相應波段接近100%。附圖10為實施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質線柵結構后的消光比曲線。由圖可知，全介質像素式全斯托克斯成像偏振器線偏振片在1.40μm-1.60μm消光比20dB以上，最高可到70dB。