中红外偏振探测阵列的Au-Pt-Ti线栅优化设计

作     者：刘绍虎 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵志军

授予年度：2023年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 070207[理学-光学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：Au-Pt-Ti线栅 中波红外 焦平面 金属隔离带 边缘约束 

摘      要：偏振作为光的基本特性之一,描述了光波电场矢量在时空中振动失去对称性的现象,偏振技术的不断进步使其在工业检测、目标识别、导弹制导、远程控制、夜间成像等诸多领域已经得到了广泛的应用。随着偏振成像技术及其支撑理论在各领域应用的逐步深入,提高偏振性能已成为偏振成像技术进一步发展的必然趋势。传统偏振片不利于集成、通光面积小、对入射角要求比较高、造价昂贵。分焦平面亚波长金属线栅偏振片具有集成度高、大数值孔径、小体积、宽带宽、性能稳定、可同时测量多个偏振态信息等显著优点。在目标检测、表征和分类提供标量成像等方面具有极大潜力和优势,高性能金属线栅偏振片的研制涉及制造、设计、集成、检测等诸多前沿技术,不断提高其偏振性能是本领域研究人员孜孜追求的目标。本文设计并优化了一种Au-Pt-Ti复合金属线栅用于中波红外偏振探测系统,为偏振信息的高效率测量与数据分析提供了一种有效的解决方案。在理论设计方面,为提高中波红外成像系统偏振性能,本文利用等效介质(EMT)和严格耦合波(RCWA)理论分析线栅材料、结构参数及集成工艺对线栅偏振性能的影响,通过有限时域差分(FDTD)法建立多矢量亚波长金属线栅模型,设计并优化了一种Au-Pt-Ti复合金属材料构成的亚波长金属线栅。与传统单层金属线栅偏振片不同的是,Au-Pt-Ti多矢量复合金属线栅首先解决了传统金属线栅在制备过程中高温脱模及氧化性问题,增强使用可靠性。并且通过适当减小0和π/2偏振像元两端金属线栅的栅条宽度,在相邻像元间隙增加金属隔离带,及控制偏振片与焦平面探测器集成纵向距离的方式,可明显降低衍射效应,改善偏振片相邻像元之间的光学串扰现象,大幅提高消光比。模型仿真显示:相比制备完成后将偏振片集成到探测器,直接在探测器表面制备金属线栅偏振阵列的方式对于提高消光比更高效。仿真结果表明,当线栅周期(Λ)800nm,高度440nm,占空比0.5,0和π/2偏振单元边缘金属线栅宽度为1/4Λ,相邻像元增加高度0.44μm、宽度3.2μm的金属隔离带,测试波长为3.89μm和4.57μm处的消光比可达28.60和32.77,表明该结构的线栅具有良好的偏振性能。在工艺制备方面,根据制备亚波长金属线栅不同工艺的工作原理、优缺点以及适用范围,选择采用电子束曝光-离子束刻蚀工艺制备金属线栅偏振探测阵列。所制备的偏振探测阵列包括0、π/4、π/2和3π/4为一组的2×2超像元,将制备完成的金属线栅利用电子显微镜观察其微观结构,金属线栅结构的表面SEM结构成像图中可以看出,表明线栅结构完整、清晰、光滑、垂直性好,像元结构周期性较好。