分析制备分焦平面光栅偏振探测器

李姝亿

摘 要：文章设计和制备基于斯托克斯矢量条件下的分焦平面金属铝纳米光栅像素偏振片阵列，应用电子束曝光EBL和感应耦合等离子体ICP技术在占空比为0.5相同条件下，制备周期为100nm-400nm，线宽为50nm-300nm，每相邻2×2单元的透偏振方向为00，450，1350， 900的金属铝纳米光栅偏振片阵列。通过电子扫描显微镜观察结构形貌，表征测量偏振片性能参数消光比和透射率。

关键词：偏振片阵列；铝纳米光栅；消光比；最大透射率

1 概述

光有三个基本特性，如光强，波长和偏振。第一个人们可以检测的信息是可见光的振幅黑白图像被称为光的强度也表示振幅。第二个波长代表频率可以检测到彩色图像信息。第三个光的偏振特性被用于偏振成像技术。因而偏振成像技术在地质勘探[1]、海面目标探测[2]、指纹识别、生物医学和空间探测[3，4]等领域展现出广泛的应用前景和价值。

现代先进的偏振探测方法大致包括以下四项：分时测量、分振幅测量、分孔径测量和分焦平面测量。其中分焦平面偏振探测器是由集成在同一基片上的成像单元和微偏振滤光片组成。目前基于斯托克斯矢量中的前三个参量S0，S1，S2下的线偏振探测器成为热门研究领，研究已经不仅仅局限于探测器本身的设计现也集中于微纳结构的工艺制备，通过制备过程中的参数分析完善微纳结构偏振探测器的偏振性能，尽可能的提高探测器成像的分辨率，获取更有用的偏振信息。

2 制备纳米偏振光栅阵列结构的实验方法

2.1 光栅参数形貌设计

制备金属纳米偏振光栅阵列，首先要对光栅结构参数进行设计。选择合适的金属材料，工艺加工中常见的金属材料有铝、银、铬、金、铂等[5]。不同的金属材料对光栅的偏振性能有不同的影响。通过光波衍射理论分析铝具有较高的导电性，能与大部分的电子制备技术兼容，抗氧化性能好，并且在可见光波段吸收率低[6]。跟其他金属相比铝的偏振性能消光比和偏振透射率高，综合性能强，因此选择铝作为偏振光栅阵列的金属材料。

光栅面型通常有矩形结构、梯形结构、锯齿形结构、三角形结构等。其中顶角为直角，侧壁垂直且表面光滑的理想矩形光栅结构的偏振性能消光比和透射率最佳[8]，因此选择矩形光栅结构。对于矩形光栅我们设计如图1所示的偏振光栅结构参数。其中光栅占空比值0.5保持不变，改变线栅的周期和线宽，整体面积为200um×200um，每个小正方形单位尺寸满足CCD像元大小为7.4um。

2.2 偏振光栅阵列制作流程

图2为采用电子束曝光设备和ICP反应离子束刻蚀设备制作铝纳米偏振光栅阵列的过程说明。

（1）如图2（a）所示，用丙酮，乙醇，去离子水超声清洗玻璃基底，并放在加热板上1500加热60s。

（2）如图2（b）所示，镀150nm厚度的铝膜，作为ICP刻蚀时的第二层掩膜。

（3）如图2（c）所示，以2500rpm/s的速度旋转涂胶，并放在加热板上1500加热60s。

（4）如图2（d）所示，采用电子束曝光设备对光刻胶进行曝光，显影并放在热板上1200厚烘60s，将设计好的光栅图案转移到光刻胶上，电子束曝光时电子扫描显微镜的加速电压为30kv。

（5）如图2（e）所示，将光刻胶图形做为第一层掩膜，采用ICP反应离子束刻蚀设备（inductively coupled plasma-reactive ion etching）刻蚀金属铝，将光栅图案转移到铝膜上。

3 表征纳米光栅偏振片阵列

3.1 图形质量检测

采用电子束曝光技术制备全面积为200um*200um，每个小正方形单元面积为7.4um*7.4um占空比为0.5不同周期的金属铝纳米光栅偏振片阵列。图3为电子扫描显微镜下获取的整体光栅结构图，由图可知制备的光栅偏振片阵列结构完整无损坏，每个单元都为标准正方形结构，金属线栅方向为00，450，1350，900，与设计的光柵阵列结构相一致。

纳米光栅偏振片阵列线栅周期的完整性、均匀性、深度、粗糙度影响其偏振性能。在ICP刻蚀时Cl2和BCl3比例、ICP功率、刻蚀时间对线栅的完整性、深度、粗糙度有一定影响。因此在制备纳米光栅偏振片阵列时要注意电子束曝光剂量的大小会影响胶图形质量，ICP刻蚀时工艺参数主要为气体流量比，Cl2主要用来刻蚀金属铝，因此Cl2与BCl3气体比例为2：1，刻蚀后的样品不要在去离子水中长时间清洗，残留的Cl2遇水酸化腐蚀Al膜。

3.2 光栅偏振片阵列偏振性能分析

衡量纳米偏振片阵列性能的参数主要有消光比和透射率对于一个偏振片，当入射偏振光沿偏振片的透光轴时，沿偏振片透光轴出射的偏振光的透射率为最大偏振透射率，沿偏振片消光轴方向的透射率为最小偏振透射率，最大透射率与最小透射率的比值为消光比E。

本实验中我们采用红光（620nm）绿光（530nm）蓝光（460nm）作为入射光源，搭建光路提取纳米光栅偏振片阵列的偏振信号， 积分球顶部放置一个发光二极管，旋转偏振片用于起偏，制备的光栅偏振片样品作为检偏器对准镜筒，CCD采集不同入射偏振光角度下的偏振图片，并用Matlab进行处理。如图4所示为经计算得出在相同占空比下，线宽50-300nm的偏振特性曲线。

由图4可知，在照明光为红光时，线宽为50nm时偏振性最佳，消光比为12.5，透射率为43%，随着线宽的增加消光比值逐渐减小，当周期大于入射光波长时片偏正性能为零。

4 结束语

本文通过应用电子束曝光技术和感应耦合等离子体刻蚀技术，制备基于斯托克斯矢量条件下的分焦平面金属线栅偏振片阵列，其中线栅占空比为0.5，线宽为50-300nm，每个单元结构大小为7.4um。制备的线栅结构不断裂、无叠加，在红光、绿光、蓝光三种光源照射下均有偏振特性，其中在红光作为入射光源下得到的偏振特性最佳消光比为12.5。将来我们将制备的光栅阵列与CCD进行贴合，实现光栅偏振探测器的应用。

参考文献

[1]李海兰，王霞，张春涛，等.基于偏振成像技术的目标探测研究进展及分析[J].光学技术，2009（5）：695-700.

[2]Fixler Dror， Zalevsky Zeev， Depolarization of light in biological tissues： affect the polarization state by flow and estimation of flow rates[M].International Society for Optics and Photonics，2012： 82210W.

[3]Karu T. I.， Kalendo G. S.， Letokhov V. S.et al. Biostimulation of HeLa cells by low-intensity visible light[J].Il Nuovo Cimento D， 1982，1（6）：828-840.

[4]Shengkui Gao， Raphael Njuguna， and Viktor Gruev. Fabrication and Performance Evaluation of Pixelated Nano-wire Grid[J].Proceedings of SPIE，2013，8873（2）：88730L-88730L-7.

[5]张志刚，董凤良.像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用[J].物理学报，2014（18）：184204-184204.

[6]孟凡涛，褚金奎.面形误差对亚波长金属光栅偏振器性能的影响[J].光子学报，2009，38（4）：951-955.