本發(fā)明涉及光學(xué)元件制備技術(shù)，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(shè)計(jì)與制作。

背景技術(shù)：

近年來，隨著偏振技術(shù)的不斷發(fā)展，其在目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。有菲涅爾公式可知，當(dāng)物體在發(fā)射、反射、散射以及透射電磁波的過程中，會(huì)產(chǎn)生與自身特性相關(guān)的特定偏振信息。不同物體，甚至不同狀態(tài)的相同物體的偏振信息都會(huì)存在差別。偏振探測(cè)可以提供比傳統(tǒng)強(qiáng)度探測(cè)和光譜探測(cè)更多的關(guān)于目標(biāo)的信息。偏振成像技術(shù)成為傳統(tǒng)強(qiáng)度成像和光譜成像之外的第三種成像技術(shù)，逐漸引起各國(guó)研究者越來越多的關(guān)注。偏振成像技術(shù)是將偏振探測(cè)技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。偏振成像技術(shù)主要是在原有的成像系統(tǒng)上，增加偏振檢測(cè)裝置，配合相應(yīng)的偏振調(diào)制器件和偏振測(cè)量算法，通過測(cè)量光線的各個(gè)偏振分量，進(jìn)而得到被測(cè)光線的部分或全部的偏振狀態(tài)信息，通常是Stokes矢量圖像或Mueller矩陣圖像，用以表征被測(cè)光線的偏振狀態(tài)。通過對(duì)這些偏振信息圖像的分析和計(jì)算，可以進(jìn)一步得到更多的偏振參數(shù)圖像，如偏振度、偏振角、橢圓率角、偏振傳輸特性等圖像，其結(jié)果可用于分析被測(cè)物的形狀，粗糙度、介質(zhì)性質(zhì)甚至生物化學(xué)等各項(xiàng)特征信息。

近幾十年來，偏振成像技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外眾多高校和科研機(jī)構(gòu)的研究對(duì)象，在天文探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、醫(yī)療、軍事、測(cè)量等眾多方面具有重要的作用，發(fā)揮著巨大的潛力。例如：（1）在天文領(lǐng)域，偏振成像探測(cè)最早應(yīng)用于行星表面土壤、大氣探測(cè)和恒星、行星以及星云狀態(tài)等的探測(cè)。在許多天文觀測(cè)領(lǐng)域，偏振測(cè)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(qiáng)目標(biāo)與背景的對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)或增強(qiáng)的作用。偏振相機(jī)不僅可以用于目標(biāo)識(shí)別，還可以利用消除反射光提高信噪比，增強(qiáng)被測(cè)目標(biāo)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(cè)，因此還可以利用測(cè)量得到的偏振圖像回復(fù)被測(cè)物體的幾何形狀，特別對(duì)透明物體的檢測(cè)和形狀恢復(fù)具有重要意義。（3）在醫(yī)療領(lǐng)域，可以通過偏振圖像進(jìn)行無接觸、無痛和無損的病變檢測(cè)，尤其適用于皮膚和眼部的檢測(cè)。（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(huán)境之間，在偏振特征圖像上都會(huì)有比較明顯的差別，因此偏振成像技術(shù)是非常有效的軍事識(shí)別手段。

傳統(tǒng)的偏振成像技術(shù)一般是通過高速旋轉(zhuǎn)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(tài)物體或者低速移動(dòng)物體的探測(cè)，無法實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)在同一時(shí)刻的不同偏振方向的偏振信息，并且這種方法對(duì)成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比較高。像素式微型偏振器陣列的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，它通過將不同取向的金屬光柵偏振器集合到一個(gè)陣列中，可以將此陣列與CCD相機(jī)相結(jié)合，陣列中的像素與CCD相機(jī)的像素一一對(duì)應(yīng)，因而可以同時(shí)獲得物體不同偏振方向上的偏振信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偏振成像，并且無需旋轉(zhuǎn)偏振片，因而對(duì)成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較低。這樣，同一目標(biāo)場(chǎng)景的全Stokes矢量偏振信息就能一次性獲得，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全偏振成像。在此方案中，重點(diǎn)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(xiàn)有材料存在明顯的偏振光透過率不高的缺點(diǎn)，無法適合工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器及其制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全偏振成像，并具波段較寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作的特點(diǎn)，克服了現(xiàn)有材料偏振光的透過率不高等缺點(diǎn)。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種全介質(zhì)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(zhì)層；所述介質(zhì)層由超像素單元陣列組成；所述超像素單元包括三個(gè)不同趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)和一個(gè)手性結(jié)構(gòu)；所述手性結(jié)構(gòu)由Z型通孔結(jié)構(gòu)單元陣列構(gòu)成；所述介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)的周期為0.98μm-1.04μm，占空比為1/4-1/5；所述手性結(jié)構(gòu)中，Z型通孔結(jié)構(gòu)單元的周期為0.97μm-1.0μm；所述介質(zhì)層的厚度為0.21μm -0.27μm。

本發(fā)明中，以Z型通孔結(jié)構(gòu)單元兩條平行邊的方向?yàn)闄M向，與橫向垂直的水平方向?yàn)榭v向。三個(gè)不同趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)分別為0°、45°以及90°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)；介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)的趨向是指介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)中凹槽的朝向，三個(gè)角度是以縱向作為基準(zhǔn)，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(gè)相互獨(dú)立的方形結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)方形結(jié)構(gòu)是趨向?yàn)?°、45°以及90°的柵線結(jié)構(gòu)，第四個(gè)為手性Z型通孔陣列結(jié)構(gòu)，0°、45°、90°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)以及手性結(jié)構(gòu)所占面積大小由實(shí)用像素相機(jī)像素決定。

本發(fā)明中，每個(gè)超像素單元的周期尺寸由探測(cè)器的實(shí)際像素大小決定。Z型通孔結(jié)構(gòu)單元貫穿介質(zhì)層，其厚度和介質(zhì)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(jié)構(gòu)中，相鄰Z型結(jié)構(gòu)單元不接觸，以提高結(jié)構(gòu)的圓偏振二色性強(qiáng)度。優(yōu)選的，超像素結(jié)構(gòu)單元中，所述介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)的周期為0.99μm，占空比為1/4；所述Z型通孔結(jié)構(gòu)單元的周期為0.98μm；所述介質(zhì)層的厚度為0.25μm。參見本發(fā)明實(shí)施例一，介質(zhì)線柵周期為0.99μm，占空比為1/4；Z型通孔結(jié)構(gòu)周期為0.98μm縱向臂長(zhǎng)為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)為0.50μm，縫寬為0.32μm，介質(zhì)層（頂層硅層）的厚度為0.25μm；通過限定，可以使結(jié)構(gòu)達(dá)到波段最寬，圓二色性較好的優(yōu)點(diǎn)；得到的全介質(zhì)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(dá)到98.3%，取得了意想不到的技術(shù)效果。

本發(fā)明中，所述透光基底為無機(jī)氧化物透光基底；所述介質(zhì)層為半導(dǎo)體介質(zhì)層；優(yōu)選所述透光基底為二氧化硅基底；所述介質(zhì)為硅半導(dǎo)體材料。二氧化硅為常用的光學(xué)材料，同時(shí)硅的制作工藝較為成熟，而且價(jià)格便宜，而且硅與其氧化物的結(jié)合有效的消除了材料對(duì)光的吸收，有利于結(jié)構(gòu)發(fā)揮全斯托克斯成像效果。

本發(fā)明公開的全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的工作波段為通訊波段，可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取進(jìn)行調(diào)制，獲得最佳效果，在光學(xué)成像系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。因此本發(fā)明還公開了上述全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器在偏振成像中的應(yīng)用。

本發(fā)明進(jìn)一步公開了上述全介質(zhì)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(fā)鍍一介質(zhì)層，然后涂上一層光刻膠；然后經(jīng)過電子束曝光顯影、反應(yīng)離子束工藝刻蝕、去除殘余光刻膠，得到全介質(zhì)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(fā)鍍一層介質(zhì)，然后涂上一層光刻膠；然后利用電子束曝光顯影技術(shù)得到三個(gè)不同趨向的光刻膠線柵結(jié)構(gòu)和一個(gè)手性結(jié)構(gòu)；再使用反應(yīng)離子束工藝刻蝕；接著去除殘余光刻膠得到全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。

本發(fā)明還公開了上述全介質(zhì)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(xué)氣相沉積法在透光基底表面生長(zhǎng)出一層介質(zhì)層，然后利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在介質(zhì)層上制備超像素單元（線柵和Z型通孔），即得到全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。

本發(fā)明全介質(zhì)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(dǎo)體介質(zhì)層組成；所述介質(zhì)層由超像素單元陣列組成；所述超像素單元包括三個(gè)不同趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)和一個(gè)手性結(jié)構(gòu)；所述手性結(jié)構(gòu)由Z型通孔結(jié)構(gòu)單元陣列構(gòu)成；Z型通孔結(jié)構(gòu)單元陣列構(gòu)成二維手性結(jié)構(gòu)，手形結(jié)構(gòu)是指自身的鏡像不能夠與自身重合。手形結(jié)構(gòu)能夠?qū)θ肷涞淖笥倚龍A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(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):

1．本發(fā)明首次公開了全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全偏振成像；全介質(zhì)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(dá)到98.3%，取得了意想不到的技術(shù)效果。

2．本發(fā)明公開的全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器結(jié)構(gòu)合理、易于制作，結(jié)構(gòu)單元的尺寸參數(shù)可調(diào)，制備方法與現(xiàn)有的工藝完全兼容；克服了現(xiàn)有技術(shù)需要繁瑣的制備過程才能得到檢偏器的缺陷。

3．本發(fā)明公開的全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器，制備原料來源廣、制備簡(jiǎn)易，相比現(xiàn)有技術(shù)，財(cái)力、時(shí)間成本更低；并且性能優(yōu)異，在光學(xué)成像系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

4. 公開的全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且在工藝制備上與現(xiàn)代半導(dǎo)體制作工藝兼容，為下一步實(shí)現(xiàn)全斯托克斯像素式偏振元件實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一的全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器以及超像素單元結(jié)構(gòu)陣列示意圖；

圖2為實(shí)施例一的全斯托克斯矢量偏振器中多趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例一的全斯托克斯矢量偏振器中Z型通孔結(jié)構(gòu)單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1、二氧化硅基底；2、0°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)；3、45°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)；4、90°的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)；5、Z型通孔結(jié)構(gòu)單元；6、手性結(jié)構(gòu)；

圖4為實(shí)施例一中周期P對(duì)左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結(jié)構(gòu)后的透過率曲線的影響圖；

圖5為實(shí)施例一中橫向臂長(zhǎng)L1對(duì)左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結(jié)構(gòu)后的透過率曲線的影響圖；

圖6為實(shí)施例一中縱向臂長(zhǎng)L2對(duì)左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結(jié)構(gòu)后的透過率曲線的影響圖；

圖7為實(shí)施例一中通孔寬度W對(duì)左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結(jié)構(gòu)后的透過率曲線的影響圖；

圖8為實(shí)施例一中介質(zhì)層厚度H對(duì)左右旋圓偏振光由基底入射Z型通孔結(jié)構(gòu)后的透過率曲線的影響圖；

圖9為實(shí)施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)后的透過率曲線圖；

圖10為實(shí)施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)后的消光比曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:

實(shí)施例一

參見附圖1所示，為全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器結(jié)構(gòu)示意圖（右圖）以及超像素單元結(jié)構(gòu)陣列示意圖（左圖）；全介質(zhì)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(zhì)層；介質(zhì)層由超像素單元陣列組成；超像素單元包括0°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)2；45°趨向的線柵結(jié)構(gòu)3；90°趨向的線柵結(jié)構(gòu)4；Z型通孔結(jié)構(gòu)單元5；手性結(jié)構(gòu)6；多個(gè)超像素單元陣列組合即得到全介質(zhì)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(zhì)線柵結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)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(zhì)線柵結(jié)構(gòu)2，其周期P為0.99μm，占空比為1/4；介質(zhì)層的厚度H為0.25μm。90°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)和45°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)與0°趨向的介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)一致。

參見附圖3，Z型通孔結(jié)構(gòu)周期P為0.98μm；縱向臂長(zhǎng)L1為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm，介質(zhì)層（頂層硅層）的厚度H為0.25μm；上述全介質(zhì)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(fā)或者化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出一層硅，用勻膠機(jī)涂上一層光刻膠；

（2）利用電子束曝光和顯影技術(shù)得Z型結(jié)構(gòu)單元以及0°趨向、45°趨向、90°趨向的線柵結(jié)構(gòu)光刻膠結(jié)構(gòu)；

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

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

實(shí)施例二

一種全介質(zhì)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(zhì)層；介質(zhì)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(jié)構(gòu)、90°趨向的線柵結(jié)構(gòu)、45°趨向的線柵結(jié)構(gòu)和Z型通孔結(jié)構(gòu)單元陣列構(gòu)成；多個(gè)超像素單元陣列組合即得到全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。介質(zhì)線柵的周期為P=0.99μm，占空比為1/4；介質(zhì)層的厚度H=0.25μm，Z型通孔結(jié)構(gòu)周期P為0.98μm；縱向臂長(zhǎng)L1為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)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(fā)或者化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出一層硅；

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

附圖9為實(shí)施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)后的透過率曲線。由圖可知，TM光的透過率在相應(yīng)波段接近100%。附圖10為實(shí)施例二中線偏振光（TE，TM）由基底入射到介質(zhì)線柵結(jié)構(gòu)后的消光比曲線。由圖可知，全介質(zhì)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。

實(shí)施例三

二氧化硅表面利用電子束蒸發(fā)法生長(zhǎng)出一層硅；利用聚焦離子束直寫技術(shù)直接刻蝕出線柵和Z型通孔結(jié)構(gòu)，為全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。介質(zhì)線柵的周期為P=0.99μm，占空比為1/4；介質(zhì)層的厚度H=0.21μm，Z型通孔結(jié)構(gòu)周期P為0.97μm；縱向臂長(zhǎng)L1為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm。

實(shí)施例四

二氧化硅表面利用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出一層硅；利用聚焦離子束直寫技術(shù)直接刻蝕出線柵和Z型通孔結(jié)構(gòu)，為全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。介質(zhì)線柵的周期為P=1.04μm，占空比為1/4；介質(zhì)層的厚度H=0.27μm，Z型通孔結(jié)構(gòu)周期P為1μm；縱向臂長(zhǎng)L1為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm。

實(shí)施例五

二氧化硅表面利用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出一層硅，用勻膠機(jī)涂上一層光刻膠；利用電子束曝光和顯影技術(shù)得Z型結(jié)構(gòu)單元以及0°趨向、45°趨向、90°趨向的線柵結(jié)構(gòu)光刻膠結(jié)構(gòu)；使用反應(yīng)離子束工藝刻蝕，接著去除殘余光刻膠得到全介質(zhì)像素式全斯托克斯成像偏振器。介質(zhì)線柵的周期為P=0.98μm，占空比為1/5；介質(zhì)層的厚度H=0.25μm，Z型通孔結(jié)構(gòu)周期P為0.98μm；縱向臂長(zhǎng)L1為0.20μm，橫向臂長(zhǎng)L2為0.50μm，縫寬W為0.32μm。