[發明專利]應用于長波紅外波段的雙層光柵偏振器

在審

• 申請號: 201710257139.8
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN106950635A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 黃戰華;馬小青;蔡懷宇;張尹馨;朱攀;張亞男
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及偏振成像領域，尤其涉及一種雙層結構的亞波長光柵，可應用于長波紅外偏振成像系統中。具體講,涉及應用于長波紅外波段的雙層光柵偏振器。

背景技術

隨著探測與傳感器技術的發展，紅外探測儀器的精度和靈敏度有所提高，然而傳統紅外熱像儀對先驗信息的依賴性及小溫差精準區分困難等測量短板大大限制了其適用性。光的偏振信息(偏振度、偏振方向、偏振橢率等)作為獨立于振幅、相位、頻率的光波信息，在導航、水面探測及模糊通信等方面具有獨特的增補作用。紅外偏振成像在紅外熱成像的基礎上增加了偏振信息維度，能夠增強對目標與干擾物或背景的材料、粗糙度、紋理等理化特性的區分，進而提高對偽裝或隱蔽目標的探測能力。

偏振器作為偏振成像系統中的核心部件，性能優劣十分重要。近年來微光刻與微/納米加工技術及計算機設計輔助功能的不斷發展使衍射光學元件備受青睞，光學光刻與電子束光刻的功能配合能夠實現亞波長納米結構圖形的制造。亞波長光柵偏振器具有集成度高、入射窗口大、損傷閾值高等特點，其偏振效應來源于光柵結構的各向異性，光柵區對光矢量的TE/TM模具有不同的等效折射率，這種差異使得TE/TM波的反射和透射效率呈現較大區別。

如圖1可將光柵結構分成入射/反射區(z<0)、光柵區(0<z<h)和透射區(z>h)三個區域，在光柵區光矢量兩個正交偏振分量TE/TM具有不同的膜層特性。入射光101使金屬線柵105中電子沿著刻槽方向自由振蕩，由于自由電子與金屬晶格中的原子發生碰撞，電矢量平行于光柵刻槽方向的TE波發生強烈的衰減和輻射，主要以反射形式102出射；由于槽狀介質104的阻隔效應，線柵105中的電子在垂直光柵刻槽方向上引發電流的能力減弱，TM波沒有明顯的衰減和輻射，主要以透射形式103出射。以上這兩種出射形式102、103的差異表明：TE/TM偏振在光柵區分別具有金屬膜和等效介質膜特性

最簡單的線柵偏振器光柵區僅包含一排平行的金屬線，有研究表明，在線柵105與基底106間鍍抗反/增反膜的設計方式可以提高線柵偏振器性能。如圖2D，一些科研人員提出通過在基底243和光柵線條241之間鍍氟化鎂薄膜242的方法，該方法使理論透射率和消光比有效提高，但面臨兩個難點：氟化鎂242與玻璃基底243的結合牢固度較差；較厚的氟化鎂鍍層242加工工藝復雜。針對現有高性能偏振光柵制作工藝的難點，期望可以設計一種簡化難度的光柵偏振器結構，使其在長波紅外波段具備較高的TM透射率和偏振消光比。

發明內容

為克服現有技術的不足，有效降低寬長波紅外波段高性能偏振光柵的制作難度，本發明旨在提出將亞波長金屬柵線下的電介質基底層進行過度刻蝕的方式，在光柵區形成金屬/電介質雙層材料的結構。本發明采用的技術方案是，應用于長波紅外波段的雙層光柵偏振器，包括透明基底、與透明基底同材料的厚度一致且排布均勻的凸起線條、厚度一致且排布均勻的金屬線條，所述與透明基底同材料的凸起線條與金屬線條在空間位置上僅有一個維度的區別，一個維度指線條厚度方向；所述與透明基底同材料的凸起線條與金屬線條均與光柵所處空間介質構成周期固定、占空固定的脊狀和溝槽狀形貌，光柵周期小于入射波長。

所述與透明基底同材料的凸起線條的厚度小于或等于2倍光柵線寬。

所述金屬線條厚度小于或等于2倍線寬。

所述光柵周期小于或等于1.5μm；占空比大于等于0.3且小于等于0.7。

與透明基底同材料的線條及金屬線條的剖面形貌均為矩形。

可選的，所述透明基底材料為在長波紅外波段的整個波段或特定波段范圍內具有一定透光率的紅外光學材料，具體可是硒化鋅、硫化鋅、鍺、氟化鎂、氟化鋇、氟化鈣、溴碘化鉈、氯化鈉、溴化鉀、石英。

可選的，所述金屬線條材料為鋁、金、銀、銅。

本發明的特點及有益效果是：

1.本發明中的線柵偏振器在長波紅外波段、大入射角度范圍內(0～60°)，TM偏振光透射率得到大幅度提高。

2.通過調節透明基底材料上光柵區凸起線條(包括金屬線條與基底材料線條)的周期、占空比、金屬線條的厚度、基底材料線條的厚度等參數可以獲得高TM光透射率和高透射消光比，設計十分靈活。

附圖說明：

圖1為一維矩形金屬光柵的結構圖，圖中光線展示了偏振性能產生的原理。

圖2A為光柵金屬層刻蝕不完全結構示意圖。

圖2B為光柵金屬層完美刻蝕結構示意圖。