全介質像素式全斯托克斯成像偏振器件制造技術

本實用新型專利技術提供了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半導體介質層；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、45°趨向的線柵結構、90°趨向的線柵結構和一個Z型通孔結構單元陣列構成；其中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%。本實用新型專利技術具有波段較寬，結構簡單，易于制作的特點，在以后的光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。

【技術實現步驟摘要】
全介質像素式全斯托克斯成像偏振器件
本技術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。
技術介紹
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。
技術實現思路
本技術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。為達到上述技術目的，本技術采用的技術方案是：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。本技術中，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。本技術中，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。參見本技術實施例一，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。本技術中，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。本技術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。本技術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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全介質像素式全斯托克斯成像偏振器件，其特征在于：所述全介質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。

【技術特征摘要】
1.一種全介質像素式全斯托克斯成像偏振器件，其特征在于：所述全介質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。2.根據權利要求1所述全介質像素式全斯托克斯成像偏振器，其特征在于：所述介質線柵結構的趨向為0°、45°以及90°。3.根據權利要求1所述全介質像素式全斯托克斯成像偏振器，其特征在于：所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡敬佩，王欽華，趙效楠，林雨，朱愛嬌，徐鋮，曹冰，
申請(專利權)人：蘇州大學，
類型：新型
國別省市：江蘇,32