应用于长波红外波段的双层光栅偏振器制造技术

本发明专利技术涉及偏振成像领域，为有效降低宽长波红外波段高性能偏振光栅的制作难度，本发明专利技术旨在提出将亚波长金属栅线下的电介质基底层进行过度刻蚀的方式，在光栅区形成金属/电介质双层材料的结构。本发明专利技术采用的技术方案是，应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，包括透明基底、与透明基底同材料的厚度一致且排布均匀的凸起线条、厚度一致且排布均匀的金属线条，所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条在空间位置上仅有一个维度的区别，一个维度指线条厚度方向；所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条均与光栅所处空间介质构成周期固定、占空固定的脊状和沟槽状形貌，光栅周期小于入射波长。本发明专利技术主要应用于偏振成像场合。

Double layer grating polarizer applied to long wave infrared band

The present invention relates to the field of polarization imaging, effectively reduce the difficulty of production for high performance wide long wave infrared band polarization grating, the invention provides for over etching a dielectric substrate layer of sub wavelength metal grating is under way, forming structure of metal / dielectric material in double grating. The technical scheme of the invention is double grating polarizer applied to long wave infrared band, includes a transparent substrate, and a transparent substrate with the thickness of the material and arrangement of metal lines of raised lines, uniform thickness and uniform arrangement, and the transparent substrate material with convex lines and the metal lines in space there is only one dimension difference, one dimension refers to the thickness of the lines; and the transparent substrate with material and metal lines are raised lines and grating space medium is composed of fixed fixed duty cycle, ridge and groove shape and the grating period is smaller than the incident wavelength. The invention is mainly applied to polarization imaging occasions.

【技术实现步骤摘要】
应用于长波红外波段的双层光栅偏振器
本专利技术涉及偏振成像领域，尤其涉及一种双层结构的亚波长光栅，可应用于长波红外偏振成像系统中。具体讲,涉及应用于长波红外波段的双层光栅偏振器。
技术介绍
随着探测与传感器技术的发展，红外探测仪器的精度和灵敏度有所提高，然而传统红外热像仪对先验信息的依赖性及小温差精准区分困难等测量短板大大限制了其适用性。光的偏振信息(偏振度、偏振方向、偏振椭率等)作为独立于振幅、相位、频率的光波信息，在导航、水面探测及模糊通信等方面具有独特的增补作用。红外偏振成像在红外热成像的基础上增加了偏振信息维度，能够增强对目标与干扰物或背景的材料、粗糙度、纹理等理化特性的区分，进而提高对伪装或隐蔽目标的探测能力。偏振器作为偏振成像系统中的核心部件，性能优劣十分重要。近年来微光刻与微/纳米加工技术及计算机设计辅助功能的不断发展使衍射光学元件备受青睐，光学光刻与电子束光刻的功能配合能够实现亚波长纳米结构图形的制造。亚波长光栅偏振器具有集成度高、入射窗口大、损伤阈值高等特点，其偏振效应来源于光栅结构的各向异性，光栅区对光矢量的TE/TM模具有不同的等效折射率，这种差异使得TE/TM波的反射和透射效率呈现较大区别。如图1可将光栅结构分成入射/反射区(z<0)、光栅区(0<z<h)和透射区(z>h)三个区域，在光栅区光矢量两个正交偏振分量TE/TM具有不同的膜层特性。入射光101使金属线栅105中电子沿着刻槽方向自由振荡，由于自由电子与金属晶格中的原子发生碰撞，电矢量平行于光栅刻槽方向的TE波发生强烈的衰减和辐射，主要以反射形式102出射；由于槽状介质104的阻隔效应，线栅105中的电子在垂直光栅刻槽方向上引发电流的能力减弱，TM波没有明显的衰减和辐射，主要以透射形式103出射。以上这两种出射形式102、103的差异表明：TE/TM偏振在光栅区分别具有金属膜和等效介质膜特性最简单的线栅偏振器光栅区仅包含一排平行的金属线，有研究表明，在线栅105与基底106间镀抗反/增反膜的设计方式可以提高线栅偏振器性能。如图2D，一些科研人员提出通过在基底243和光栅线条241之间镀氟化镁薄膜242的方法，该方法使理论透射率和消光比有效提高，但面临两个难点：氟化镁242与玻璃基底243的结合牢固度较差；较厚的氟化镁镀层242加工工艺复杂。针对现有高性能偏振光栅制作工艺的难点，期望可以设计一种简化难度的光栅偏振器结构，使其在长波红外波段具备较高的TM透射率和偏振消光比。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，有效降低宽长波红外波段高性能偏振光栅的制作难度，本专利技术旨在提出将亚波长金属栅线下的电介质基底层进行过度刻蚀的方式，在光栅区形成金属/电介质双层材料的结构。本专利技术采用的技术方案是，应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，包括透明基底、与透明基底同材料的厚度一致且排布均匀的凸起线条、厚度一致且排布均匀的金属线条，所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条在空间位置上仅有一个维度的区别，一个维度指线条厚度方向；所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条均与光栅所处空间介质构成周期固定、占空固定的脊状和沟槽状形貌，光栅周期小于入射波长。所述与透明基底同材料的凸起线条的厚度小于或等于2倍光栅线宽。所述金属线条厚度小于或等于2倍线宽。所述光栅周期小于或等于1.5μm；占空比大于等于0.3且小于等于0.7。与透明基底同材料的线条及金属线条的剖面形貌均为矩形。可选的，所述透明基底材料为在长波红外波段的整个波段或特定波段范围内具有一定透光率的红外光学材料，具体可是硒化锌、硫化锌、锗、氟化镁、氟化钡、氟化钙、溴碘化铊、氯化钠、溴化钾、石英。可选的，所述金属线条材料为铝、金、银、铜。本专利技术的特点及有益效果是：1.本专利技术中的线栅偏振器在长波红外波段、大入射角度范围内(0～60°)，TM偏振光透射率得到大幅度提高。2.通过调节透明基底材料上光栅区凸起线条(包括金属线条与基底材料线条)的周期、占空比、金属线条的厚度、基底材料线条的厚度等参数可以获得高TM光透射率和高透射消光比，设计十分灵活。附图说明：图1为一维矩形金属光栅的结构图，图中光线展示了偏振性能产生的原理。图2A为光栅金属层刻蚀不完全结构示意图。图2B为光栅金属层完美刻蚀结构示意图。图2C为本专利技术实施例中光栅偏振片结构示意图，即光栅基底被过度刻蚀，在金属线条下形成同周期和占空比的透明基底材料线条。图2D为现有带镀膜金属光栅偏振片结构示意图。图3A为本专利技术实施例一结构参数下不同金属材料对长波红外波段TM光透射率的影响。图3B为本专利技术实施例一结构参数下不同金属材料对长波红外波段消光性能的影响。图4为本专利技术实施例二各级次衍射效率与光栅周期之间的关系图。图5为本专利技术实施例三偏振性能与占空比的关系图。图6为本专利技术实施例四光栅区各层线条深度对偏振性能的影响关系图。图7为本专利技术实施例五光栅的透光性能与入射角度的关系图。图8为本专利技术实施例六光栅在长波红外波段的透光性能。具体实施方式为有效降低宽长波红外波段高性能偏振光栅的制作难度，本专利技术提出将亚波长金属栅线下的电介质基底层进行过度刻蚀的方式，在光栅区形成金属/电介质双层材料的结构。本专利技术提供一种双层亚波长光栅偏振器，包括：透明基底；位于所述透明基底上的偏振光栅，所述偏振光栅包括多条间隔规律、均匀、平行排列的具有一定厚度的基底材料凸起线条；位于所述透明基底材料凸起线条上的具有一定厚度的金属线条，并且和所述透明基底材料凸起线条具有相同的占空比和分布周期，与所述透明基底材料凸起线条空间形貌、位置差异仅在于高度分布区间，与之共同构成光栅偏振器的光栅区。可选的，所述透明基底材料为硒化锌、硫化锌、锗、氟化镁、氟化钡、氟化钙、溴碘化铊、氯化钠、溴化钾、石英等在长波红外波段的整个波段或特定波段范围内具有一定透光率的红外光学材料。可选的，所述金属线条材料为铝、金、银、铜等。上述说明仅为本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和有点更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。专利技术人发现，现有技术在亚波长光栅偏振器的制作过程中容易出现金属层211待刻蚀(见图2A，基底层212完好)、金属层221完全刻蚀(见图2B，基底层222完好)以及基底层233被过度刻蚀(见图2C)的不同情况。定义实际刻蚀深度h，金属层211、221、231、241深度h2，被刻蚀的基底介质层232深度h1。如图2A，若金属层211未被完全刻蚀(h<h2)，残余金属层将阻止光线101透射，各种偏振态的光线入射后均主要以反射形式出射。基底233受到刻蚀(h>h2)的主要是由于刻蚀气体的速率或比例控制不当，在光栅区形成基底介质232与金属231复合的双层结构，如图2C所示。通常用透射效率与透射消光比来衡量偏振片性能的好坏。透射消光比是指TM偏振光的透射效率与TE偏振光的透射效率的比值。定义TM光透射效率为TTM,TE光的透射效率为TTE，消光比ER＝10lg(TTM/TTE)下面结合附图对本专利技术的具体实施例做进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例一：本实施例研究光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，其特征是，应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，包括透明基底、与透明基底同材料的厚度一致且排布均匀的凸起线条、厚度一致且排布均匀的金属线条，所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条在空间位置上仅有一个维度的区别，一个维度指线条厚度方向；所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条均与光栅所处空间介质构成周期固定、占空固定的脊状和沟槽状形貌，光栅周期小于入射波长。

【技术特征摘要】
1.一种应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，其特征是，应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，包括透明基底、与透明基底同材料的厚度一致且排布均匀的凸起线条、厚度一致且排布均匀的金属线条，所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条在空间位置上仅有一个维度的区别，一个维度指线条厚度方向；所述与透明基底同材料的凸起线条与金属线条均与光栅所处空间介质构成周期固定、占空固定的脊状和沟槽状形貌，光栅周期小于入射波长。2.如权利要求1所述的应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，其特征是，所述与透明基底同材料的凸起线条的厚度小于或等于2倍光栅线宽。3.如权利要求1所述的应用于长波红外波段的双层光栅偏振器，其特征是，所述金属线条厚度小于或等于2...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄战华，马小青，蔡怀宇，张尹馨，朱攀，张亚男，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12