【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(cè)目標(biāo)的信息維度,提升對(duì)目標(biāo)的識(shí)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(jì)靈活、易于集成、較寬的光譜和視場(chǎng)范圍等優(yōu)點(diǎn)。本文在單層金屬Al線柵偏振器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)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(duì)3.0~5.0μm中波紅外波段,首先對(duì)無(wú)介質(zhì)層的鋁基單層金屬線柵Al wires/Al_2O_3結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,研究了線柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)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(cè)量線柵偏振器的偏振性能,搭建了測(cè)試系統(tǒng),為所制備的金屬線柵偏振器提供了測(cè)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(yùn)用有限時(shí)域差分法,針對(duì)3.0~5.0μm中波紅外波段,對(duì)無(wú)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(jìn)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(duì)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(gè)變化范圍內(nèi),使線柵的TM波透過(guò)率和消光比都達(dá)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(guò)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(shí)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(jì)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(duì)兩種結(jié)構(gòu)線柵偏振偏振器透過(guò)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(guò)率提高。通過(guò)觀察電場(chǎng)強(qiáng)度擬合分布圖和局部的TM波透過(guò)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(shí),等效折射率更低,金屬線柵槽內(nèi)共振腔模式更強(qiáng),分布的電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng),偏振特性更優(yōu)。當(dāng)MgF_2介質(zhì)層的厚度為500 nm,在波長(zhǎng)4.0μm處,I型(薄膜)和II型(線柵)線柵的TM透過(guò)率和消光比分別可以達(dá)到98%,29 dB和99%,30 dB。設(shè)計(jì)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(wú)介質(zhì)層的單層Al線柵偏振器作了對(duì)比。對(duì)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(guò)率介于中間,TE波透過(guò)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(duì)TM波透過(guò)率峰值的影響。通過(guò)對(duì)等效LC耦合電路和電磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí),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(qiáng)的局域磁場(chǎng),TM波透過(guò)率曲線出現(xiàn)波峰。而在非磁局域共振波長(zhǎng)處,磁場(chǎng)無(wú)局域效應(yīng),均勻的磁場(chǎng)分布在金屬線柵之間,TM波透過(guò)率無(wú)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(jìn)行偏振測(cè)量的裝置,進(jìn)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(duì)其進(jìn)行了偏振測(cè)量。采用SEM掃描電鏡對(duì)微觀形貌進(jìn)行了表征。偏振測(cè)試結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論分析的趨勢(shì)一致。MgF_2介質(zhì)層的引入,提高了TM波透過(guò)率,消光比上升。兩種結(jié)構(gòu)的線柵偏振器的TM波透過(guò)率和TE波透過(guò)率的測(cè)量值分別小于和大于理論模擬值。在4.0μm波長(zhǎng)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(shí),Al wires/MgF_2layer/Al_2O_3結(jié)構(gòu)線柵偏振器的TM波透過(guò)率的測(cè)量值為83.3%,TE波透過(guò)率測(cè)量值為8.2%。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74
【圖文】：

圖 1.1 陰影區(qū)域兩輛汽車的成像對(duì)比[19]：（a）可見(jiàn)光成像圖片；（b）長(zhǎng)波紅外光譜像圖片；（c）長(zhǎng)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(duì)比[19]：（a）可見(jiàn)光成像圖片；（b）長(zhǎng)波紅外光譜像圖片；（c）長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室（AFRL）在 2012 年對(duì)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(gè)物理象元組成，各自的偏振方向分別振探測(cè)像元和圓偏振探測(cè)像元。該偏振片可同時(shí)獲得光，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的寬波段全偏振實(shí)時(shí)成像，增強(qiáng)探測(cè)系的軍事應(yīng)用潛力。該進(jìn)展在偏振探測(cè)技術(shù)發(fā)展方面非

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764185