遠紅外寬波段高性能四向偏振光柵的研究*

武銀子，楊利紅，陳貫文，李夢晗，薛澤臣

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

紅外成像技術(shù)基于目標與背景的熱輻射差異實現(xiàn)目標識別與跟蹤，故存在復(fù)雜背景或噪聲源與目標的溫度相當(dāng)條件下的識別率較低的問題[1-3]。紅外偏振成像因其可探測輻射強度之外的物體偏振信息差異而解決了此類問題，且不同物質(zhì)不同狀態(tài)(幾何形狀、表面粗糙度、材質(zhì)等)，紅外偏振特性不同，故這一技術(shù)尤其對偽裝、隱藏及煙霧環(huán)境等情況下的目標探測具有優(yōu)勢，可提高目標識別率[4-8]。作為目前目標探測識別的重要方法之一，紅外偏振成像技術(shù)在如涂層材質(zhì)、汗?jié)撝讣y、金屬碎屑的識別及水下目標的非聲探測相關(guān)研究等方面均有應(yīng)用[9-13]。

紅外偏振成像方式包括分時和同時成像兩大類，決定成像方式的關(guān)鍵就是系統(tǒng)所用的偏振器件類型。常用的偏振器件按工作方式的不同可分為分步獲取偏振特性的線偏振器件和同步獲取偏振特性的焦平面偏振器件。文獻[14]應(yīng)用連續(xù)快速旋轉(zhuǎn)偏振片的方式實現(xiàn)了目標不同偏振方向的紅外輻射強度圖像采集，但應(yīng)用迭代排序的解算方法存在積分時間對解算信息的誤差消除問題。同時型成像方式，不需旋轉(zhuǎn)偏振片即可完成對于不同方向偏振信息的同時獲取，故不存在上述偏振信息解算時的誤差消除問題。針對同步獲取偏振特性的分焦面系統(tǒng)的研究，美國空軍研究實驗室、亞利桑那大學(xué)、Polaris公司等單位制作了多種類型的微偏振片陣列型焦平面探測器并對在多個典型場景下的應(yīng)用進行研究。由此可見，微偏振陣列是分焦平面型系統(tǒng)的核心，且可在寬波段內(nèi)起偏振作用，有益于器件的小型化和集成化[15-16]。文獻[17]由時域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)模擬了一種以二氧化硅為基底、鋁與氟化鎂作為柵線材料的具有反常偏振效應(yīng)的介質(zhì)-金屬光柵偏振器。結(jié)果顯示該光柵在0.193 μm的光垂直入射條件下，TE偏振光的透過率大于60%，偏振消光比大于180。文獻[18]提出了一種在1.5～8 μm波長范圍內(nèi)透射率超過85%，偏振消光比(Extinction Ratio,ER)大于70 dB的由金屬-絕緣體-金屬組成的紅外偏振光柵。然而以上兩種結(jié)構(gòu)均不適用于8～12 μm波段。文獻[19]提出一種周期1 μm鋁/硒化鋅雙層光柵矩形結(jié)構(gòu)，在7～15 μm波段，該結(jié)構(gòu)的TM波透過率(TM transmittance,TTM)為87%以上，消光比達47 dB。文獻[20]研究了一種地物(包括人造物)發(fā)射波譜范圍[21]8～12 μm的ZnSe基多層納米光柵線偏振器件。該器件在整個8～12 μm波段，TM波透過率高于90%和偏振消光比大于55 dB。這兩種結(jié)構(gòu)雖適用于本文的研究波段，但偏振性能方面仍有提高空間。

綜上所述，文中提出了一種以GaAs為基底的應(yīng)用于8～12 μm波段的雙過渡層亞波長雙層金屬光柵結(jié)構(gòu)，并利用時域有限差分方法對該結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對光柵偏振性能的影響，給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合。

1 紅外偏振光柵原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 紅外偏振光柵陣列設(shè)計理論及結(jié)構(gòu)

選用斯托克斯矢量對偏振光進行表征，設(shè)計了該矢量中的四方向偏振信息一體化的光柵結(jié)構(gòu)，即可一次性獲得含四向偏振的斯托克斯矢量，從而達到對物體偏振信息實時采集的目的。偏振光柵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。偏振光柵為由2×2的四個不同透振方向(0°、45°、135°、90°)的偏振單元組成的結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)對四個方向的強度信息進行測量，完成用于表征物體偏振信息的Stokes各參量的同步計算，見式(1)。偏振單元的尺寸設(shè)計根據(jù)偏振測量系統(tǒng)中選用的探測器像元尺寸確定。

圖1 偏振光柵結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

1.2 紅外偏振光柵微單元設(shè)計理論及結(jié)構(gòu)

光柵表現(xiàn)出偏振性能說明其只產(chǎn)生零級衍射，而光柵的衍射性能由入射光波長及其周期兩者共同決定。查閱資料可知，亞波長光柵由于各向異性而具有偏振效應(yīng)。若其中含金屬結(jié)構(gòu)，則可基于等效介質(zhì)理論進一步分析偏振效應(yīng)的成因[20]：在入射光的作用下，金屬線柵中的電子在沿柵線和垂直于柵線方向上產(chǎn)生不同的運動，從而使電矢量平行于刻槽方向的TE波主要以反射形式出射。垂直于刻槽方向的TM波主要以透形式出射，這種差異表明光柵區(qū)對于兩者分別具有金屬膜高反射和等效介質(zhì)膜透射特性。兩波可分別視為尋常光和非常光，故可說明金屬膜光柵具有偏振特性。

基于此，文中將偏振光柵的微單元設(shè)計為一種亞波長結(jié)構(gòu)的金屬光柵。亞波長金屬光柵的類型目前主要有單層、雙層兩種。對比兩結(jié)構(gòu)，選擇偏振性能相對較好且工藝要求較低的亞波長雙層金屬光柵。實際設(shè)計中，為獲取高的TM波透過率及消光比，在雙層金屬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加增透層，所得結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 偏振光柵微單元示意圖

偏振光柵各層的材料選擇基于見表1。根據(jù)所列常見遠紅外材料的透過率及折射率等性質(zhì)，最終選擇基底材料為GaAs，過渡層1選擇折射率相對低的BaF2材料，選擇相對高折射率的ZnSe為過渡層2的材料。如此形成一定的折射率差以增大結(jié)構(gòu)的透過率，介質(zhì)層選擇ZnSe。

表1 常見遠紅外材料及部分性質(zhì)

金屬層材料的選擇基于文中對亞波長金屬光柵偏振效應(yīng)的成因分析。根據(jù)等效折射率計算式(2)(3)對Ag、Au、Al三種材料的TM、TE偏振光的等效折射率進行計算并比較得出：Al材料的nTE最大，nTM最小，因此選用鋁材料可以更好地實現(xiàn)TE波的吸收，TM波的透射。

(2)

(3)

式中:nm為金屬的折射率，nm=nr+jni，nr和ni分別為折射率的實部和虛部；DC為光柵占空比。

光柵具有偏振性能說明只有零級衍射，零級衍射條件為

Λ(nssinθm+nsinθi)=mλ,

(4)

式中:ns為光柵基底折射率;m為衍射級次;θm為對應(yīng)的衍射角;n為空氣折射率；θi為入射角。

偏振光柵只有零級衍射，所以m=1，θm=π/2。入射角為0°，基底的折射率設(shè)為3.2，λ=8 μm時，周期臨界值Λ為2.5 μm，即要設(shè)計的金屬偏振光柵的臨界周期為2.5 μm。要得到可在8～12 μm波段實現(xiàn)零級衍射，光柵周期必須小于2.5 μm，文中選取的光柵周期為0.5 μm。

2 紅外偏振光柵微單元的仿真分析

工作波段為8～12 μm，因此，任何周期小于工作波長的金屬光柵都會表現(xiàn)出偏振效應(yīng)。取光柵周期為0.5 μm，利用時域有限差分法對雙層金屬光柵的過渡層厚度H1、H2、介質(zhì)層高度H3、金屬層高度H4、占空比DC等參數(shù)進行優(yōu)化。此方法中采用三維模擬，通過腳本構(gòu)建所設(shè)計的光柵結(jié)構(gòu)，x，y方向上使用周期性(Periodic)邊界條件，z方向使用完美匹配層(Perfectly Matched Layer,PML)邊界條件。分別用TM波、TE波從金屬層的正上方入射，波長范圍設(shè)置為8～12 μm。對于所要優(yōu)化的各參數(shù)，在固定其他條件的情況下，將所要優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置為變量，并賦予一定的變化范圍，設(shè)置采樣點數(shù)，進行參數(shù)掃描。通過對光柵各層厚度的掃描，得到不同厚度時TM波透過率及消光比，從而選取最優(yōu)參數(shù)，獲得具有高TM波透過率和大消光比ER(ER=10lg(TTM/TTE))的光柵結(jié)構(gòu)。

2.1 過渡層厚度H1、H2的優(yōu)化

進行BaF2過渡層厚度H1的優(yōu)化研究，圖3(a)和3(b)是圖2所示光柵在不同厚度H1下的TTM和ER。其它結(jié)構(gòu)參數(shù)為

Λ=0.5 μm,DC=0.5,H2=0.3 μm,

H3=0.1 μm,H4=0.05 μm。

由圖3(a)和3(b)可得,當(dāng)H1=0.3 μm時，在整個8～12 μm的波長范圍內(nèi)，TTM大于74%，ER大于51.4 dB。在不加過渡層，即H1=0的情況下，TTM降低到64%，ER也降低約3 dB。

圖3 BaF2過渡層不同厚度H1的光學(xué)特性

對硒化鋅過渡層的厚度H2進行優(yōu)化研究。圖4(a)和4(b)是不同ZnSe過渡層厚度H2下光柵的TTM和ER。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為

圖4 ZnSe過渡層不同厚度H2的光學(xué)特性

Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，

H3=0.1 μm，H4=0.05 μm。

從圖4(a)和4(b)可以看出,當(dāng)H2=0.2 μm時，在整個8～12 μm的波長范圍內(nèi)，TTM大于77%，ER大于51.5 dB。

2.2 介質(zhì)層高度H3的優(yōu)化

圖5(a)和5(b)體現(xiàn)的是介質(zhì)層高度對器件的TTM和ER的影響。仿真中其它結(jié)構(gòu)參數(shù)為

Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，

H2=0.2 μm，H4=0.05 μm。

從圖5(a)和5(b)可以看出，當(dāng)H3=1.5～1.7 μm時，結(jié)構(gòu)的TTM和ER兩參數(shù)值幾乎無變化。綜合考慮深寬比，最終選擇H3=1.5 μm，TTM大于95%，ER大于52.9 dB。

圖5 ZnSe介質(zhì)層不同高度H3的光學(xué)特性

2.3 金屬層高度H4的優(yōu)化

圖6(a)和6(b)所示為金屬鋁層厚度H4對TTM和ER的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)：Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm,H3=1.5 μm。結(jié)果表明，H4選擇0.06 μm，此時TM波透過率和消光比分別大于94%和55.3 dB。

2.4 占空比DC的優(yōu)化

DC(DC=d/Λ)對TTM和ER的影響如圖7(a)和7(b)所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)為

圖7 不同占空比DC的光學(xué)特性

Λ=0.5 μm，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm，

H3=1.5 μm，H4=0.06 μm。

綜合考慮TM波透過率和消光比，最終選擇DC=0.5。此時可達到的TM波透過率大于94%，ER大于55.3 dB。

2.5 分析與討論

根據(jù)以上仿真優(yōu)化結(jié)果可看出，過渡層1和2的添加對于提升TM波透過率有一定的作用，且光柵偏振性能與結(jié)構(gòu)之間大致有如下關(guān)系：H1變化時，TM波透過率及消光比ER均隨λ的增大而增大；TM波透過率隨介質(zhì)層厚度H3的增加而增加；金屬層厚度H4的增加會使TM波透過率降低，消光比ER增加。

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種以GaAs為基底材料的雙過渡層亞波長雙層金屬光柵，該結(jié)構(gòu)中，過渡層1和過渡層2的材料分別為BaF2和ZnSe,介質(zhì)層材料為ZnSe,金屬層材料為Al。在周期Λ=0.5 μm條件下，分別對微結(jié)構(gòu)的過渡層厚度H1、H2、介質(zhì)層高度H3、金屬層高度H4、結(jié)構(gòu)占空比DC等參數(shù)進行優(yōu)化。最終結(jié)果顯示，Λ=0.5 μm，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm，H3=1.5 μm，H4=0.06 μm，DC=0.5時，該結(jié)構(gòu)在8～12 μm波段范圍內(nèi)的TM波透過率可達94%以上，消光比ER大于55.3 dB。相較同波段范圍內(nèi)可以用的ZnSe基偏振光柵而言，文中所述結(jié)構(gòu)的TM波透過率提高4%以上，消光比ER也有所提升。此結(jié)構(gòu)為同時型偏振器件的制作提供參考，可用于分焦平面偏振探測系統(tǒng)，完成對物體不同方向偏振信息的同時采集。