远红外宽波段高性能四向偏振光栅的研究*

武银子，杨利红，陈贯文，李梦晗，薛泽臣

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

红外成像技术基于目标与背景的热辐射差异实现目标识别与跟踪，故存在复杂背景或噪声源与目标的温度相当条件下的识别率较低的问题[1-3]。红外偏振成像因其可探测辐射强度之外的物体偏振信息差异而解决了此类问题，且不同物质不同状态(几何形状、表面粗糙度、材质等)，红外偏振特性不同，故这一技术尤其对伪装、隐藏及烟雾环境等情况下的目标探测具有优势，可提高目标识别率[4-8]。作为目前目标探测识别的重要方法之一，红外偏振成像技术在如涂层材质、汗潜指纹、金属碎屑的识别及水下目标的非声探测相关研究等方面均有应用[9-13]。

红外偏振成像方式包括分时和同时成像两大类，决定成像方式的关键就是系统所用的偏振器件类型。常用的偏振器件按工作方式的不同可分为分步获取偏振特性的线偏振器件和同步获取偏振特性的焦平面偏振器件。文献[14]应用连续快速旋转偏振片的方式实现了目标不同偏振方向的红外辐射强度图像采集，但应用迭代排序的解算方法存在积分时间对解算信息的误差消除问题。同时型成像方式，不需旋转偏振片即可完成对于不同方向偏振信息的同时获取，故不存在上述偏振信息解算时的误差消除问题。针对同步获取偏振特性的分焦面系统的研究，美国空军研究实验室、亚利桑那大学、Polaris公司等单位制作了多种类型的微偏振片阵列型焦平面探测器并对在多个典型场景下的应用进行研究。由此可见，微偏振阵列是分焦平面型系统的核心，且可在宽波段内起偏振作用，有益于器件的小型化和集成化[15-16]。文献[17]由时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)模拟了一种以二氧化硅为基底、铝与氟化镁作为栅线材料的具有反常偏振效应的介质-金属光栅偏振器。结果显示该光栅在0.193 μm的光垂直入射条件下，TE偏振光的透过率大于60%，偏振消光比大于180。文献[18]提出了一种在1.5～8 μm波长范围内透射率超过85%，偏振消光比(Extinction Ratio,ER)大于70 dB的由金属-绝缘体-金属组成的红外偏振光栅。然而以上两种结构均不适用于8～12 μm波段。文献[19]提出一种周期1 μm铝/硒化锌双层光栅矩形结构，在7～15 μm波段，该结构的TM波透过率(TM transmittance,TTM)为87%以上，消光比达47 dB。文献[20]研究了一种地物(包括人造物)发射波谱范围[21]8～12 μm的ZnSe基多层纳米光栅线偏振器件。该器件在整个8～12 μm波段，TM波透过率高于90%和偏振消光比大于55 dB。这两种结构虽适用于本文的研究波段，但偏振性能方面仍有提高空间。

综上所述，文中提出了一种以GaAs为基底的应用于8～12 μm波段的双过渡层亚波长双层金属光栅结构，并利用时域有限差分方法对该结构进行仿真优化，研究了结构参数对光栅偏振性能的影响，给出了结构参数最优组合。

1 红外偏振光栅原理及结构设计

1.1 红外偏振光栅阵列设计理论及结构

选用斯托克斯矢量对偏振光进行表征，设计了该矢量中的四方向偏振信息一体化的光栅结构，即可一次性获得含四向偏振的斯托克斯矢量，从而达到对物体偏振信息实时采集的目的。偏振光栅的结构如图1所示。偏振光栅为由2×2的四个不同透振方向(0°、45°、135°、90°)的偏振单元组成的结构，利用该结构对四个方向的强度信息进行测量，完成用于表征物体偏振信息的Stokes各参量的同步计算，见式(1)。偏振单元的尺寸设计根据偏振测量系统中选用的探测器像元尺寸确定。

图1 偏振光栅结构示意图

(1)

1.2 红外偏振光栅微单元设计理论及结构

光栅表现出偏振性能说明其只产生零级衍射，而光栅的衍射性能由入射光波长及其周期两者共同决定。查阅资料可知，亚波长光栅由于各向异性而具有偏振效应。若其中含金属结构，则可基于等效介质理论进一步分析偏振效应的成因[20]：在入射光的作用下，金属线栅中的电子在沿栅线和垂直于栅线方向上产生不同的运动，从而使电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，这种差异表明光栅区对于两者分别具有金属膜高反射和等效介质膜透射特性。两波可分别视为寻常光和非常光，故可说明金属膜光栅具有偏振特性。

基于此，文中将偏振光栅的微单元设计为一种亚波长结构的金属光栅。亚波长金属光栅的类型目前主要有单层、双层两种。对比两结构，选择偏振性能相对较好且工艺要求较低的亚波长双层金属光栅。实际设计中，为获取高的TM波透过率及消光比，在双层金属结构的基础上添加增透层，所得结构如图2所示。

图2 偏振光栅微单元示意图

偏振光栅各层的材料选择基于见表1。根据所列常见远红外材料的透过率及折射率等性质，最终选择基底材料为GaAs，过渡层1选择折射率相对低的BaF2材料，选择相对高折射率的ZnSe为过渡层2的材料。如此形成一定的折射率差以增大结构的透过率，介质层选择ZnSe。

表1 常见远红外材料及部分性质

金属层材料的选择基于文中对亚波长金属光栅偏振效应的成因分析。根据等效折射率计算式(2)(3)对Ag、Au、Al三种材料的TM、TE偏振光的等效折射率进行计算并比较得出：Al材料的nTE最大，nTM最小，因此选用铝材料可以更好地实现TE波的吸收，TM波的透射。

(2)

(3)

式中:nm为金属的折射率，nm=nr+jni，nr和ni分别为折射率的实部和虚部；DC为光栅占空比。

光栅具有偏振性能说明只有零级衍射，零级衍射条件为

Λ(nssinθm+nsinθi)=mλ,

(4)

式中:ns为光栅基底折射率;m为衍射级次;θm为对应的衍射角;n为空气折射率；θi为入射角。

偏振光栅只有零级衍射，所以m=1，θm=π/2。入射角为0°，基底的折射率设为3.2，λ=8 μm时，周期临界值Λ为2.5 μm，即要设计的金属偏振光栅的临界周期为2.5 μm。要得到可在8～12 μm波段实现零级衍射，光栅周期必须小于2.5 μm，文中选取的光栅周期为0.5 μm。

2 红外偏振光栅微单元的仿真分析

工作波段为8～12 μm，因此，任何周期小于工作波长的金属光栅都会表现出偏振效应。取光栅周期为0.5 μm，利用时域有限差分法对双层金属光栅的过渡层厚度H1、H2、介质层高度H3、金属层高度H4、占空比DC等参数进行优化。此方法中采用三维模拟，通过脚本构建所设计的光栅结构，x，y方向上使用周期性(Periodic)边界条件，z方向使用完美匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)边界条件。分别用TM波、TE波从金属层的正上方入射，波长范围设置为8～12 μm。对于所要优化的各参数，在固定其他条件的情况下，将所要优化的参数设置为变量，并赋予一定的变化范围，设置采样点数，进行参数扫描。通过对光栅各层厚度的扫描，得到不同厚度时TM波透过率及消光比，从而选取最优参数，获得具有高TM波透过率和大消光比ER(ER=10lg(TTM/TTE))的光栅结构。

2.1 过渡层厚度H1、H2的优化

进行BaF2过渡层厚度H1的优化研究，图3(a)和3(b)是图2所示光栅在不同厚度H1下的TTM和ER。其它结构参数为

Λ=0.5 μm,DC=0.5,H2=0.3 μm,

H3=0.1 μm,H4=0.05 μm。

由图3(a)和3(b)可得,当H1=0.3 μm时，在整个8～12 μm的波长范围内，TTM大于74%，ER大于51.4 dB。在不加过渡层，即H1=0的情况下，TTM降低到64%，ER也降低约3 dB。

图3 BaF2过渡层不同厚度H1的光学特性

对硒化锌过渡层的厚度H2进行优化研究。图4(a)和4(b)是不同ZnSe过渡层厚度H2下光栅的TTM和ER。其他结构参数为

图4 ZnSe过渡层不同厚度H2的光学特性

Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，

H3=0.1 μm，H4=0.05 μm。

从图4(a)和4(b)可以看出,当H2=0.2 μm时，在整个8～12 μm的波长范围内，TTM大于77%，ER大于51.5 dB。

2.2 介质层高度H3的优化

图5(a)和5(b)体现的是介质层高度对器件的TTM和ER的影响。仿真中其它结构参数为

Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，

H2=0.2 μm，H4=0.05 μm。

从图5(a)和5(b)可以看出，当H3=1.5～1.7 μm时，结构的TTM和ER两参数值几乎无变化。综合考虑深宽比，最终选择H3=1.5 μm，TTM大于95%，ER大于52.9 dB。

图5 ZnSe介质层不同高度H3的光学特性

2.3 金属层高度H4的优化

图6(a)和6(b)所示为金属铝层厚度H4对TTM和ER的影响。结构参数：Λ=0.5 μm，DC=0.5，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm,H3=1.5 μm。结果表明，H4选择0.06 μm，此时TM波透过率和消光比分别大于94%和55.3 dB。

2.4 占空比DC的优化

DC(DC=d/Λ)对TTM和ER的影响如图7(a)和7(b)所示。结构参数为

图7 不同占空比DC的光学特性

Λ=0.5 μm，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm，

H3=1.5 μm，H4=0.06 μm。

综合考虑TM波透过率和消光比，最终选择DC=0.5。此时可达到的TM波透过率大于94%，ER大于55.3 dB。

2.5 分析与讨论

根据以上仿真优化结果可看出，过渡层1和2的添加对于提升TM波透过率有一定的作用，且光栅偏振性能与结构之间大致有如下关系：H1变化时，TM波透过率及消光比ER均随λ的增大而增大；TM波透过率随介质层厚度H3的增加而增加；金属层厚度H4的增加会使TM波透过率降低，消光比ER增加。

3 结 论

设计了一种以GaAs为基底材料的双过渡层亚波长双层金属光栅，该结构中，过渡层1和过渡层2的材料分别为BaF2和ZnSe,介质层材料为ZnSe,金属层材料为Al。在周期Λ=0.5 μm条件下，分别对微结构的过渡层厚度H1、H2、介质层高度H3、金属层高度H4、结构占空比DC等参数进行优化。最终结果显示，Λ=0.5 μm，H1=0.3 μm，H2=0.2 μm，H3=1.5 μm，H4=0.06 μm，DC=0.5时，该结构在8～12 μm波段范围内的TM波透过率可达94%以上，消光比ER大于55.3 dB。相较同波段范围内可以用的ZnSe基偏振光栅而言，文中所述结构的TM波透过率提高4%以上，消光比ER也有所提升。此结构为同时型偏振器件的制作提供参考，可用于分焦平面偏振探测系统，完成对物体不同方向偏振信息的同时采集。