亚波长线偏振光栅阵列及全斯托克斯偏振器阵列的理论与实验研究

发布时间：2017-06-10 07:11

  本文关键词：亚波长线偏振光栅阵列及全斯托克斯偏振器阵列的理论与实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：偏振作为光的基本属性之一,包含着被测物体的众多特征信息,随着成像技术的不断发展,将偏振探测技术与成像技术相结合的偏振成像技术在目标识别方面有着越来越重要的作用,获取目标偏振信息成为偏振成像技术的重中之重。本文提出并研究了一种红外波段(3μm-5μm)的基于亚波长双层金属光栅的像素式微型线偏振阵列以及一种近红外波段(1.6μm)的新型像素式全斯托克斯偏振成像阵列。利用等效介质理论和时域有限差分的数值计算方法,详细研究了器件在工作波段的偏振传输特性。主要工作和成果如下:(1)详细介绍了亚波长金属光栅偏振特性的理论和设计方法以及实验制备技术。设计了一种带有过渡层的双层金属光栅,利用时域有限差分法对光栅参数进行模拟优化,获得结构最佳参数,并将其应用在像素式微型线偏振器阵列中,可以同时获取物体不同方向的偏振信息,实现对物体的线偏振成像。理论表明所提出的双层金属光栅不仅可以具有较高的透过率(89%)和消光比(58dB),而且其对占空比,金属光栅高度以及过渡层高度具有很高的容忍度,大大降低了实验制备难度。利用激光直写设备制作了多取向(偏振方向分别为0°,45°,90°以及135°)的周期为300nm的双层金属光栅阵列,并对样品性能进行了检测,测试表明在波长3μm-5μm处透过率高于46%,消光比大于23.8dB。(2)提出并模拟设计了一种新型的全Stokes矢量微型偏振器阵列。通过在硅基底上设计基于手性金属结构的圆偏振器与金属线偏振光栅集成,可用于实时的全Stokes偏振成像。此手性结构的圆偏振器在1.6μm波段可以阻止左旋圆偏振光通过,而使右旋圆偏振光通过,实现了高效左右旋圆偏振光的区分作用;不同取向的金属光栅可以获得物体不同方向的线偏振信息。同时,由于圆偏振器的结构与线性光栅类似,可以通过相同的实验平台和工艺进行制备。通过数值模拟,研究了圆偏振器各参数对偏振器性能的影响,获得了圆偏振器的最佳参数。数值模拟结果表明,在1.6μm波长处,右旋圆偏振光的透过率可达60%,圆偏振器的二向色性可达56%,线偏振光栅(周期200nm)的消光比可达56dB,TM偏振光透过率可达85%,具有很好的偏振性能。
【关键词】：偏振成像 双层金属光栅 像素式微型偏振器阵列 全斯托克斯偏振成像 时域有限差分法
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN25;O436.3
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 偏振成像器件研究现状11-20
• 1.2.1 亚波长金属光栅研究现状12-15
• 1.2.2 像素式微型线偏振器阵列研究现状15-18
• 1.2.3 全Stokes矢量偏振成像器件的研究现状18-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第二章 像素式微型偏振器阵列的理论基础22-27
• 2.1 偏振光的Stokes矢量描述22-23
• 2.2 亚波长金属光栅工作原理23
• 2.3 等效介质理论23-24
• 2.4 时域有限差分法（FDTD）24-27
• 第三章 基于双层金属光栅的多取向线偏振阵列理论与设计27-36
• 3.1 引言27-28
• 3.2 光栅基底材料的选择28
• 3.3 硅基红外波段（3-5μm）亚波长双层金属光栅结构28-29
• 3.4 亚波长双层金属光栅结构的参数优化29-32
• 3.4.1 亚波长双层金属光栅结构中过渡层厚度（H3）的优化29-30
• 3.4.2 亚波长双层金属光栅结构中介质光栅厚度（H2）的优化30-31
• 3.4.3 亚波长双层金属光栅结构中金属光栅高度（H1）的优化31
• 3.4.4 亚波长双层金属光栅结构中占空比DC的优化31-32
• 3.5 亚波长双层金属光栅典型的优化结果32-33
• 3.6 亚波长双层金属光栅与传统金属光栅结构的性能比较33-35
• 3.7 本章小结35-36
• 第四章 基于亚波长金属光栅的像素式微型偏振器阵列实验制备及测试36-48
• 4.1 实验流程基本介绍36-41
• 4.2 实验电镜测试及性能检测41-47
• 4.2.1 电镜测试41-44
• 4.2.2 性能测试44-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 像素式全Stokes矢量微型偏振器阵列的设计48-61
• 5.1 引言48-51
• 5.2 像素式全Stokes矢量微型偏振器阵列结构51-52
• 5.3 手性金属结构圆偏振器参数优化52-59
• 5.4 与手性金属圆偏振器相匹配的线光栅偏振器59-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 总结61
• 6.2 展望61-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间公开发表的论文67-68
• 致谢68-69

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