中波红外金属线栅偏振器的结构设计与特性研究

发布时间：2020-07-21 08:45

【摘要】：偏振器是光学系统中一种重要的光学元件。在红外偏振成像技术中,可以获取目标的偏振信息,丰富探测目标的信息维度,提升对目标的识别能力。金属线栅偏振器与传统的偏振器相比,具有体积小、设计灵活、易于集成、较宽的光谱和视场范围等优点。本文在单层金属Al线栅偏振器的基础上,设计并制备了带有MgF_2介质层的铝基单层金属线栅和铝基双层金属线栅偏振器。针对3.0~5.0μm中波红外波段,首先对无介质层的铝基单层金属线栅Al wires/Al_2O_3结构进行设计优化,研究了线栅结构参数对偏振性能的影响;拟合并分析了引入介质层的铝基单层金属线栅Al wires/dielectric layer/Al_2O_3结构中介质层折射率、厚度和结构形式对线栅偏振性能的影响;分析优化了三层线栅的顺序对铝基双层金属线栅Al/MgF_2/Al/Al_2O_3(MDM)结构线栅偏振特性的影响,为制备工艺提供了理论基础。为测量线栅偏振器的偏振性能,搭建了测试系统,为所制备的金属线栅偏振器提供了测试手段;利用电子束曝光技术,在Al_2O_3基底上制备了金属线栅偏振器样品。运用有限时域差分法,针对3.0~5.0μm中波红外波段,对无介质层的铝基单层金属线栅Al wires/Al_2O_3结构的偏振特性进行了研究。拟合分析了线栅周期、占空比、金属Al线栅高度、基底材料和金属线栅材料等结构参数对线栅偏振器的偏振特性影响规律。研究结果表明,线栅周期是影响其偏振性能的主要因素;占空比和金属线栅高度需控制在一个变化范围内,使线栅的TM波透过率和消光比都达到一定高度值,保持良好的性能;线栅的基底应选择折射率低透过率高的透明材料;金属材料应选择在所应用的波段介电常数的虚部较大的金属材料。综合考虑各种线栅材料和线栅形貌参数的工艺窗口,结合实际的工艺制备条件,确定了单层金属线栅的结构参数为:基底为Al_2O_3,金属材料为Al,周期宽度400nm,金属线栅高度100 nm,占空比为0.5。设计了带有介质层的铝基单层金属线栅Al wires/dielectric layer/Al_2O_3结构。在Al_2O_3基底与Al线栅之间添加一层具有I型(薄膜)和II型(线栅)结构形式的具有相同厚度的介质层。拟合并研究了介质层折射率和厚度对两种结构线栅偏振偏振器透过率和消光比的影响。研究结果表明,由于介质层的引入,削弱了金属Al线栅与Al_2O_3基底界面之间的表面等离子效应,TM波透过率提高。通过观察电场强度拟合分布图和局部的TM波透过率曲线可知,当MgF_2介质层以II型结构形式存在时,等效折射率更低,金属线栅槽内共振腔模式更强,分布的电场强度更强,偏振特性更优。当MgF_2介质层的厚度为500 nm,在波长4.0μm处,I型(薄膜)和II型(线栅)线栅的TM透过率和消光比分别可以达到98%,29 dB和99%,30 dB。设计了铝基双层金属线栅的MDM结构的偏振器。优化分析了三层线栅顺序对偏振器偏振特性的影响,并与无介质层的单层Al线栅偏振器作了对比。对比分析发现在3.0~5.0μm中波红外波段,MDM结构线栅偏振器的TM波平均透过率介于中间,TE波透过率最低,消光比最高。分析了介质层折射率、线栅周期和占空比对TM波透过率峰值的影响。通过对等效LC耦合电路和电磁场强度的分布分析可知,当入射光与周期线栅的阻抗相匹配时,入射光与线栅耦合激发磁局域共振效应,在上下金属线栅之间的介质线栅区域获得共振增强的局域磁场,TM波透过率曲线出现波峰。而在非磁局域共振波长处,磁场无局域效应,均匀的磁场分布在金属线栅之间,TM波透过率无峰值出现。结合傅里叶红外变换光谱仪,搭建了能够对线栅偏振器进行偏振测量的装置,进行了误差分析。利用电子束光刻图形制作技术和光学薄膜制备工艺,制备了Al wires/Al_2O_3和Al wires/MgF_2 layer/Al_2O_3结构的线栅偏振器样品,对其进行了偏振测量。采用SEM扫描电镜对微观形貌进行了表征。偏振测试结果表明:实验测试结果与理论分析的趋势一致。MgF_2介质层的引入,提高了TM波透过率,消光比上升。两种结构的线栅偏振器的TM波透过率和TE波透过率的测量值分别小于和大于理论模拟值。在4.0μm波长处,当线栅周期为400 nm,占空比为0.5,MgF_2介质层的厚度为500 nm并且以薄膜的形式存在时,Al wires/MgF_2layer/Al_2O_3结构线栅偏振器的TM波透过率的测量值为83.3%,TE波透过率测量值为8.2%。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

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图 1.1 阴影区域两辆汽车的成像对比[19]：（a）可见光成像图片；（b）长波红外光谱像图片；（c）长波红外偏振成像图片Fig. 1.1 Picutres of two trucks in the shade: (a) visible picture; (b) long wave infrared intensityimage; (c): long-wave infrared polarization image

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图 1.1 阴影区域两辆汽车的成像对比[19]：（a）可见光成像图片；（b）长波红外光谱像图片；（c）长波红外偏振成像图片Fig. 1.1 Picutres of two trucks in the shade: (a) visible picture; (b) long wave infrared intensitimage; (c): long-wave infrared polarization image

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【参考文献】