本發(fā)明涉及偏振成像領(lǐng)域，尤其涉及一種雙層結(jié)構(gòu)的亞波長光柵，可應(yīng)用于長波紅外偏振成像系統(tǒng)中。具體講,涉及應(yīng)用于長波紅外波段的雙層光柵偏振器。

背景技術(shù)：

隨著探測與傳感器技術(shù)的發(fā)展，紅外探測儀器的精度和靈敏度有所提高，然而傳統(tǒng)紅外熱像儀對先驗信息的依賴性及小溫差精準區(qū)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(chǔ)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(qū)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(tǒng)中的核心部件，性能優(yōu)劣十分重要。近年來微光刻與微/納米加工技術(shù)及計算機設(shè)計輔助功能的不斷發(fā)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?qū)崿F(xiàn)亞波長納米結(jié)構(gòu)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(yīng)來源于光柵結(jié)構(gòu)的各向異性，光柵區(qū)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(xiàn)較大區(qū)別。

如圖1可將光柵結(jié)構(gòu)分成入射/反射區(qū)(z<0)、光柵區(qū)(0<z<h)和透射區(qū)(z>h)三個區(qū)域，在光柵區(qū)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(fā)生碰撞，電矢量平行于光柵刻槽方向的te波發(fā)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(zhì)104的阻隔效應(yīng)，線柵105中的電子在垂直光柵刻槽方向上引發(fā)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(qū)分別具有金屬膜和等效介質(zhì)膜特性

最簡單的線柵偏振器光柵區(qū)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(shè)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(jié)合牢固度較差；較厚的氟化鎂鍍層242加工工藝復雜。針對現(xiàn)有高性能偏振光柵制作工藝的難點，期望可以設(shè)計一種簡化難度的光柵偏振器結(jié)構(gòu)，使其在長波紅外波段具備較高的tm透射率和偏振消光比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明旨在提出將亞波長金屬柵線下的電介質(zhì)基底層進行過度刻蝕的方式，在光柵區(qū)形成金屬/電介質(zhì)雙層材料的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，應(yīng)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(qū)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(zhì)構(gòu)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(nèi)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(fā)明的特點及有益效果是：

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

2.通過調(diào)節(jié)透明基底材料上光柵區(qū)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(shù)可以獲得高tm光透射率和高透射消光比，設(shè)計十分靈活。

附圖說明：

圖1為一維矩形金屬光柵的結(jié)構(gòu)圖，圖中光線展示了偏振性能產(chǎn)生的原理。

圖2a為光柵金屬層刻蝕不完全結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2b為光柵金屬層完美刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2c為本發(fā)明實施例中光柵偏振片結(jié)構(gòu)示意圖，即光柵基底被過度刻蝕，在金屬線條下形成同周期和占空比的透明基底材料線條。

圖2d為現(xiàn)有帶鍍膜金屬光柵偏振片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3a為本發(fā)明實施例一結(jié)構(gòu)參數(shù)下不同金屬材料對長波紅外波段tm光透射率的影響。

圖3b為本發(fā)明實施例一結(jié)構(gòu)參數(shù)下不同金屬材料對長波紅外波段消光性能的影響。

圖4為本發(fā)明實施例二各級次衍射效率與光柵周期之間的關(guān)系圖。

圖5為本發(fā)明實施例三偏振性能與占空比的關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明實施例四光柵區(qū)各層線條深度對偏振性能的影響關(guān)系圖。

圖7為本發(fā)明實施例五光柵的透光性能與入射角度的關(guān)系圖。

圖8為本發(fā)明實施例六光柵在長波紅外波段的透光性能。

具體實施方式

為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(fā)明提出將亞波長金屬柵線下的電介質(zhì)基底層進行過度刻蝕的方式，在光柵區(qū)形成金屬/電介質(zhì)雙層材料的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供一種雙層亞波長光柵偏振器，包括：

透明基底；

位于所述透明基底上的偏振光柵，所述偏振光柵包括多條間隔規(guī)律、均勻、平行排列的具有一定厚度的基底材料凸起線條；

位于所述透明基底材料凸起線條上的具有一定厚度的金屬線條，并且和所述透明基底材料凸起線條具有相同的占空比和分布周期，與所述透明基底材料凸起線條空間形貌、位置差異僅在于高度分布區(qū)間，與之共同構(gòu)成光柵偏振器的光柵區(qū)。

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

可選的，所述金屬線條材料為鋁、金、銀、銅等。

上述說明僅為本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和有點更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)在亞波長光柵偏振器的制作過程中容易出現(xiàn)金屬層211待刻蝕(見圖2a，基底層212完好)、金屬層221完全刻蝕(見圖2b，基底層222完好)以及基底層233被過度刻蝕(見圖2c)的不同情況。定義實際刻蝕深度h，金屬層211、221、231、241深度h2，被刻蝕的基底介質(zhì)層232深度h1。如圖2a，若金屬層211未被完全刻蝕(h<h2)，殘余金屬層將阻止光線101透射，各種偏振態(tài)的光線入射后均主要以反射形式出射。基底233受到刻蝕(h>h2)的主要是由于刻蝕氣體的速率或比例控制不當，在光柵區(qū)形成基底介質(zhì)232與金屬231復合的雙層結(jié)構(gòu)，如圖2c所示。通常用透射效率與透射消光比來衡量偏振片性能的好壞。透射消光比是指tm偏振光的透射效率與te偏振光的透射效率的比值。定義tm光透射效率為ttm,te光的透射效率為tte，消光比er＝10lg(ttm/tte)

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例一：

本實施例研究光柵區(qū)金屬線條231的材料對光柵偏振性能的影響。入射光101為波長10.6μm紅外光，入射角θ＝0°；光柵基底233為硒化鋅材料，折射率為2.40。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：透明基底材料線條232深度h1＝0.4μm，金屬線條231深度h2＝0.6μm，光柵區(qū)總深度h＝1μm；光柵周期λ＝1μm；光柵占空比為線寬與周期的比值，f＝w/λ＝0.5。圖3a和圖3b分別表示金屬線條231為材料鋁、金、銀、銅時，長波紅外波段內(nèi)tm光透射率和消光比的變化情況。光柵區(qū)金屬線條231材料為鋁(折射率實部33.91，虛部109.42)時，相比金、銀、銅三種金屬材料構(gòu)成的光柵其ttm311稍顯遜色但十分接近三者水平(如曲線312、313、314所示)，而er321明顯高于其他金屬(如曲線322、323、324所示)。曲線312與313、322與323顯示，金和銀偏振效果相當，銅的消光性324最差。

實施例二：

本實施例研究光柵周期對透射衍射效率的影響。本實施例是線條規(guī)則，間隙固定的線柵形貌。各參數(shù)如下：入射光101為λ＝7μm紅外光，入射角θ＝0°；光柵基底233為硒化鋅材料，折射率為2.42；金屬材料231為鋁(折射率實部16.78，虛部77.71)。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，透明基底材料線條232深度h1＝0.4μm，金屬線條231深度h2＝0.6μm，光柵區(qū)總深度h＝1μm；光柵占空f＝0.5。圖4包含了各級次衍射效率隨光柵周期的變化曲線。曲線401代表0級反射效率，曲線402代表+1級透射效率，曲線403代表-1級透射效率，曲線404代表0級透射效率。通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，當周期取值大于1.5μm時，0級透射率404隨周期增大而明顯降低。光柵在周期取2.89μm時由于瑞利諧振的存在產(chǎn)生±1級透射衍射402與403，該處0級反射效率401達到最大值。為提高透射光柵偏振性能，需將光柵周期限定在小于臨界周期值的范圍內(nèi)。由于瑞利共振周期和共振波長存在正比例關(guān)系，因此入射波長增大，共振周期也會增大。即，實施例二中計算得到的共振周期2.89μm小于等于長波紅外波段的其他波長下對應(yīng)的共振周期。該周期數(shù)值可以作為優(yōu)化長波紅外波段光柵偏振器周期的參考數(shù)值。

實施例三：

本實施例研究了光柵占空比對光柵偏振性能的影響。各參數(shù)如下：入射光101為λ＝10.6μm紅外光，入射角θ＝0°；光柵基底233為硒化鋅材料，折射率為2.40；金屬材料231為鋁(折射率實部33.91，虛部109.42)。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，透明基底材料線條232深度h1＝0.4μm，金屬線條231深度h2＝0.6μm，光柵區(qū)總深度h＝1μm；光柵周期λ＝1μm。tm光透射率和消光比與占空比的關(guān)系如圖5所示，占空比在0.05～0.75間變化。占空比增大，光柵的消光性能502增大；tm光透過率501在占空比增大的過程中，先增高后降低，當0.45<f<0.6時，ttm>90％，er>40db。

實施例四：

本實施例研究雙層光柵各層線條231、232深度對偏振性能的影響。各參數(shù)如下：入射光101為λ＝10.6μm紅外光，入射角θ＝0°；光柵基底233為硒化鋅材料，折射率為2.40；金屬材料231為鋁(折射率實部33.91，虛部109.42)。光柵周期λ＝1μm，占空比f＝0.5。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，透明基底材料線條232深度h1在0～1μm區(qū)間變化，金屬線條231深度h2分別取0.2μm、0.4μm、0.6μm和0.8μm四個數(shù)值。tm光透射率和消光比與各層線條深度的關(guān)系如圖6所示。通過曲線601、602、603、604趨勢可以看出，硒化鋅線條深度h1和鋁金屬線條深度h2的增加均會提高tm光透過率。通過曲線605、606、607、608er隨橫坐標h1的變化趨勢可以看出，消光比er主要通過鋁金屬線條231深度h2的增加來提高，h1的變化對er幾乎起不到任何作用。由于制作工藝的限制，深寬比過大(h/w>2:1)的線柵理想面型維持困難，因而需將總深度h控制在1μm以內(nèi)。

實施例五：

本實施例給出了雙層光柵在不同入射角度條件下的偏振性能表現(xiàn)。各參數(shù)如下：入射光101為λ＝10.6μm紅外光；光柵基底233為硒化鋅材料，折射率為2.40；金屬材料231為鋁(折射率實部33.91，虛部109.42)。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，透明基底材料線條232深度h1＝0.4μm，金屬線條231深度h2＝0.6μm，光柵區(qū)總深度h＝1μm；光柵周期λ＝1μm，占空比f＝0.5。入射角度θ在0～60°間變化時，ttm和er曲線如圖7。通過圖7中曲線701和702可知，入射角度增大，光柵的消光性能和tm光透過率均會提高，在入射角從0°到60°的變化過程中，ttm保持90％以上，er>50db。

實施例六：

本實施例給出了雙層光柵在長波紅外波段下的偏振性能表現(xiàn)。各參數(shù)如下：入射光101為波長7～15μm的紅外光，入射角θ＝0°；光柵基底233為硒化鋅材料；金屬材料231為鋁。偏振光柵線條231、232剖面形貌為矩形，透明基底材料線條232深度h1＝0.4μm，金屬線條231深度h2＝0.6μm，光柵區(qū)總深度h＝1μm；光柵周期λ＝1μm，占空比f＝0.5。通過圖8中曲線801和802可以看出，該實施例光柵結(jié)構(gòu)在長波紅外波段具有穩(wěn)定的偏振性能，er在48～53db，ttm>87％。該實施例光柵在長波長紅外光入射時，消光性能802更好；在短波長紅外光入射時，tm光透射率801最佳。

綜上所述，本發(fā)明采用基底層過度刻蝕(如圖2c)的方式，簡化了光柵鍍膜方案(如圖2d)的流程和復雜度，結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)定理論上將消光比提高到100000:1，并將寬波段的透過率大幅度提升至87％以上，符合系統(tǒng)的偏振成像需求。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)做出的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。