【摘要】：偏振器是光學(xué)系統(tǒng)中一種重要的光學(xué)元件。在紅外偏振成像技術(shù)中,可以獲取目標(biāo)的偏振信息,豐富探測目標(biāo)的信息維度,提升對目標(biāo)的識別能力。金屬線柵偏振器與傳統(tǒng)的偏振器相比,具有體積小、設(shè)計靈活、易于集成、較寬的光譜和視場范圍等優(yōu)點。本文在單層金屬Al線柵偏振器的基礎(chǔ)上,設(shè)計并制備了帶有MgF_2介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵和鋁基雙層金屬線柵偏振器。針對3.0~5.0μm中波紅外波段,首先對無介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵Al wires/Al_2O_3結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化,研究了線柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對偏振性能的影響;擬合并分析了引入介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵Al wires/dielectric layer/Al_2O_3結(jié)構(gòu)中介質(zhì)層折射率、厚度和結(jié)構(gòu)形式對線柵偏振性能的影響;分析優(yōu)化了三層線柵的順序?qū)︿X基雙層金屬線柵Al/MgF_2/Al/Al_2O_3(MDM)結(jié)構(gòu)線柵偏振特性的影響,為制備工藝提供了理論基礎(chǔ)。為測量線柵偏振器的偏振性能,搭建了測試系統(tǒng),為所制備的金屬線柵偏振器提供了測試手段;利用電子束曝光技術(shù),在Al_2O_3基底上制備了金屬線柵偏振器樣品。運用有限時域差分法,針對3.0~5.0μm中波紅外波段,對無介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵Al wires/Al_2O_3結(jié)構(gòu)的偏振特性進行了研究。擬合分析了線柵周期、占空比、金屬Al線柵高度、基底材料和金屬線柵材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)對線柵偏振器的偏振特性影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,線柵周期是影響其偏振性能的主要因素;占空比和金屬線柵高度需控制在一個變化范圍內(nèi),使線柵的TM波透過率和消光比都達到一定高度值,保持良好的性能;線柵的基底應(yīng)選擇折射率低透過率高的透明材料;金屬材料應(yīng)選擇在所應(yīng)用的波段介電常數(shù)的虛部較大的金屬材料。綜合考慮各種線柵材料和線柵形貌參數(shù)的工藝窗口,結(jié)合實際的工藝制備條件,確定了單層金屬線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:基底為Al_2O_3,金屬材料為Al,周期寬度400nm,金屬線柵高度100 nm,占空比為0.5。設(shè)計了帶有介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵Al wires/dielectric layer/Al_2O_3結(jié)構(gòu)。在Al_2O_3基底與Al線柵之間添加一層具有I型(薄膜)和II型(線柵)結(jié)構(gòu)形式的具有相同厚度的介質(zhì)層。擬合并研究了介質(zhì)層折射率和厚度對兩種結(jié)構(gòu)線柵偏振偏振器透過率和消光比的影響。研究結(jié)果表明,由于介質(zhì)層的引入,削弱了金屬Al線柵與Al_2O_3基底界面之間的表面等離子效應(yīng),TM波透過率提高。通過觀察電場強度擬合分布圖和局部的TM波透過率曲線可知,當(dāng)MgF_2介質(zhì)層以II型結(jié)構(gòu)形式存在時,等效折射率更低,金屬線柵槽內(nèi)共振腔模式更強,分布的電場強度更強,偏振特性更優(yōu)。當(dāng)MgF_2介質(zhì)層的厚度為500 nm,在波長4.0μm處,I型(薄膜)和II型(線柵)線柵的TM透過率和消光比分別可以達到98%,29 dB和99%,30 dB。設(shè)計了鋁基雙層金屬線柵的MDM結(jié)構(gòu)的偏振器。優(yōu)化分析了三層線柵順序?qū)ζ衿髌裉匦缘挠绊?并與無介質(zhì)層的單層Al線柵偏振器作了對比。對比分析發(fā)現(xiàn)在3.0~5.0μm中波紅外波段,MDM結(jié)構(gòu)線柵偏振器的TM波平均透過率介于中間,TE波透過率最低,消光比最高。分析了介質(zhì)層折射率、線柵周期和占空比對TM波透過率峰值的影響。通過對等效LC耦合電路和電磁場強度的分布分析可知,當(dāng)入射光與周期線柵的阻抗相匹配時,入射光與線柵耦合激發(fā)磁局域共振效應(yīng),在上下金屬線柵之間的介質(zhì)線柵區(qū)域獲得共振增強的局域磁場,TM波透過率曲線出現(xiàn)波峰。而在非磁局域共振波長處,磁場無局域效應(yīng),均勻的磁場分布在金屬線柵之間,TM波透過率無峰值出現(xiàn)。結(jié)合傅里葉紅外變換光譜儀,搭建了能夠?qū)�柵偏振器進行偏振測量的裝置,進行了誤差分析。利用電子束光刻圖形制作技術(shù)和光學(xué)薄膜制備工藝,制備了Al wires/Al_2O_3和Al wires/MgF_2 layer/Al_2O_3結(jié)構(gòu)的線柵偏振器樣品,對其進行了偏振測量。采用SEM掃描電鏡對微觀形貌進行了表征。偏振測試結(jié)果表明:實驗測試結(jié)果與理論分析的趨勢一致。MgF_2介質(zhì)層的引入,提高了TM波透過率,消光比上升。兩種結(jié)構(gòu)的線柵偏振器的TM波透過率和TE波透過率的測量值分別小于和大于理論模擬值。在4.0μm波長處,當(dāng)線柵周期為400 nm,占空比為0.5,MgF_2介質(zhì)層的厚度為500 nm并且以薄膜的形式存在時,Al wires/MgF_2layer/Al_2O_3結(jié)構(gòu)線柵偏振器的TM波透過率的測量值為83.3%,TE波透過率測量值為8.2%。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74
【圖文】：

圖 1.1 陰影區(qū)域兩輛汽車的成像對比[19]：（a）可見光成像圖片；（b）長波紅外光譜像圖片；（c）長波紅外偏振成像圖片F(xiàn)ig. 1.1 Picutres of two trucks in the shade: (a) visible picture; (b) long wave infrared intensityimage; (c): long-wave infrared polarization image

圖 1.1 陰影區(qū)域兩輛汽車的成像對比[19]：（a）可見光成像圖片；（b）長波紅外光譜像圖片；（c）長波紅外偏振成像圖片F(xiàn)ig. 1.1 Picutres of two trucks in the shade: (a) visible picture; (b) long wave infrared intensitimage; (c): long-wave infrared polarization image

中波紅外金屬線柵偏振器結(jié)構(gòu)和偏振特性研究軍研究實驗室（AFRL）在 2012 年對新型圓偏振光濾光研究，其超像元偏振方向示意圖如圖 1.3 所示。其中一陣形式排列的 4 個物理象元組成，各自的偏振方向分別振探測像元和圓偏振探測像元。該偏振片可同時獲得光，可實現(xiàn)對目標(biāo)的寬波段全偏振實時成像，增強探測系的軍事應(yīng)用潛力。該進展在偏振探測技術(shù)發(fā)展方面非

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 于杰;張俊喜;張立德;費廣濤;;基于Ag納米棒陣列的表面等離激元微型偏振器[J];光學(xué)學(xué)報;2014年07期

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本文編號：2764185