分析制備分焦平面光柵偏振探測器

李姝億

摘 要：文章設計和制備基于斯托克斯矢量條件下的分焦平面金屬鋁納米光柵像素偏振片陣列，應用電子束曝光EBL和感應耦合等離子體ICP技術在占空比為0.5相同條件下，制備周期為100nm-400nm，線寬為50nm-300nm，每相鄰2×2單元的透偏振方向為00，450，1350， 900的金屬鋁納米光柵偏振片陣列。通過電子掃描顯微鏡觀察結構形貌，表征測量偏振片性能參數消光比和透射率。

關鍵詞：偏振片陣列；鋁納米光柵；消光比；最大透射率

1 概述

光有三個基本特性，如光強，波長和偏振。第一個人們可以檢測的信息是可見光的振幅黑白圖像被稱為光的強度也表示振幅。第二個波長代表頻率可以檢測到彩色圖像信息。第三個光的偏振特性被用于偏振成像技術。因而偏振成像技術在地質勘探[1]、海面目標探測[2]、指紋識別、生物醫學和空間探測[3，4]等領域展現出廣泛的應用前景和價值。

現代先進的偏振探測方法大致包括以下四項：分時測量、分振幅測量、分孔徑測量和分焦平面測量。其中分焦平面偏振探測器是由集成在同一基片上的成像單元和微偏振濾光片組成。目前基于斯托克斯矢量中的前三個參量S0，S1，S2下的線偏振探測器成為熱門研究領，研究已經不僅僅局限于探測器本身的設計現也集中于微納結構的工藝制備，通過制備過程中的參數分析完善微納結構偏振探測器的偏振性能，盡可能的提高探測器成像的分辨率，獲取更有用的偏振信息。

2 制備納米偏振光柵陣列結構的實驗方法

2.1 光柵參數形貌設計

制備金屬納米偏振光柵陣列，首先要對光柵結構參數進行設計。選擇合適的金屬材料，工藝加工中常見的金屬材料有鋁、銀、鉻、金、鉑等[5]。不同的金屬材料對光柵的偏振性能有不同的影響。通過光波衍射理論分析鋁具有較高的導電性，能與大部分的電子制備技術兼容，抗氧化性能好，并且在可見光波段吸收率低[6]。跟其他金屬相比鋁的偏振性能消光比和偏振透射率高，綜合性能強，因此選擇鋁作為偏振光柵陣列的金屬材料。

光柵面型通常有矩形結構、梯形結構、鋸齒形結構、三角形結構等。其中頂角為直角，側壁垂直且表面光滑的理想矩形光柵結構的偏振性能消光比和透射率最佳[8]，因此選擇矩形光柵結構。對于矩形光柵我們設計如圖1所示的偏振光柵結構參數。其中光柵占空比值0.5保持不變，改變線柵的周期和線寬，整體面積為200um×200um，每個小正方形單位尺寸滿足CCD像元大小為7.4um。

2.2 偏振光柵陣列制作流程

圖2為采用電子束曝光設備和ICP反應離子束刻蝕設備制作鋁納米偏振光柵陣列的過程說明。

（1）如圖2（a）所示，用丙酮，乙醇，去離子水超聲清洗玻璃基底，并放在加熱板上1500加熱60s。

（2）如圖2（b）所示，鍍150nm厚度的鋁膜，作為ICP刻蝕時的第二層掩膜。

（3）如圖2（c）所示，以2500rpm/s的速度旋轉涂膠，并放在加熱板上1500加熱60s。

（4）如圖2（d）所示，采用電子束曝光設備對光刻膠進行曝光，顯影并放在熱板上1200厚烘60s，將設計好的光柵圖案轉移到光刻膠上，電子束曝光時電子掃描顯微鏡的加速電壓為30kv。

（5）如圖2（e）所示，將光刻膠圖形做為第一層掩膜，采用ICP反應離子束刻蝕設備（inductively coupled plasma-reactive ion etching）刻蝕金屬鋁，將光柵圖案轉移到鋁膜上。

3 表征納米光柵偏振片陣列

3.1 圖形質量檢測

采用電子束曝光技術制備全面積為200um*200um，每個小正方形單元面積為7.4um*7.4um占空比為0.5不同周期的金屬鋁納米光柵偏振片陣列。圖3為電子掃描顯微鏡下獲取的整體光柵結構圖，由圖可知制備的光柵偏振片陣列結構完整無損壞，每個單元都為標準正方形結構，金屬線柵方向為00，450，1350，900，與設計的光柵陣列結構相一致。

納米光柵偏振片陣列線柵周期的完整性、均勻性、深度、粗糙度影響其偏振性能。在ICP刻蝕時Cl2和BCl3比例、ICP功率、刻蝕時間對線柵的完整性、深度、粗糙度有一定影響。因此在制備納米光柵偏振片陣列時要注意電子束曝光劑量的大小會影響膠圖形質量，ICP刻蝕時工藝參數主要為氣體流量比，Cl2主要用來刻蝕金屬鋁，因此Cl2與BCl3氣體比例為2：1，刻蝕后的樣品不要在去離子水中長時間清洗，殘留的Cl2遇水酸化腐蝕Al膜。

3.2 光柵偏振片陣列偏振性能分析

衡量納米偏振片陣列性能的參數主要有消光比和透射率對于一個偏振片，當入射偏振光沿偏振片的透光軸時，沿偏振片透光軸出射的偏振光的透射率為最大偏振透射率，沿偏振片消光軸方向的透射率為最小偏振透射率，最大透射率與最小透射率的比值為消光比E。

本實驗中我們采用紅光（620nm）綠光（530nm）藍光（460nm）作為入射光源，搭建光路提取納米光柵偏振片陣列的偏振信號， 積分球頂部放置一個發光二極管，旋轉偏振片用于起偏，制備的光柵偏振片樣品作為檢偏器對準鏡筒，CCD采集不同入射偏振光角度下的偏振圖片，并用Matlab進行處理。如圖4所示為經計算得出在相同占空比下，線寬50-300nm的偏振特性曲線。

由圖4可知，在照明光為紅光時，線寬為50nm時偏振性最佳，消光比為12.5，透射率為43%，隨著線寬的增加消光比值逐漸減小，當周期大于入射光波長時片偏正性能為零。

4 結束語

本文通過應用電子束曝光技術和感應耦合等離子體刻蝕技術，制備基于斯托克斯矢量條件下的分焦平面金屬線柵偏振片陣列，其中線柵占空比為0.5，線寬為50-300nm，每個單元結構大小為7.4um。制備的線柵結構不斷裂、無疊加，在紅光、綠光、藍光三種光源照射下均有偏振特性，其中在紅光作為入射光源下得到的偏振特性最佳消光比為12.5。將來我們將制備的光柵陣列與CCD進行貼合，實現光柵偏振探測器的應用。

參考文獻

[1]李海蘭，王霞，張春濤，等.基于偏振成像技術的目標探測研究進展及分析[J].光學技術，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]張志剛，董鳳良.像素偏振片陣列制備及其在偏振圖像增強中的應用[J].物理學報，2014（18）：184204-184204.

[6]孟凡濤，褚金奎.面形誤差對亞波長金屬光柵偏振器性能的影響[J].光子學報，2009，38（4）：951-955.