亚波长金属偏振光栅设计与分析

亚波长金属偏振光栅设计与分析

康宁;唐军;李大林;陈萌;杨江涛;郭浩;刘俊

【摘要】In order to resolve atmospheric optics polarization pattern for accurate navigation,a sub-wavelength metallic polarizer is designed based on rigorous coupled-wave analysis( RCWA),which is suitable for structure of compound eye. Aiming at single and bi-layer metallic grating with different period,duty cycle and metal layer thickness are simultated and analyzed,actual technological level and cost into consideration,bi-layer metallic grating with period of 200 nm,duty cycle of 0. 5 and metal layer thickness of 100 nm is chosen for polarizer of compound eye,TM polarized light transmittance of blue light in central band 450 nm of the designed bi-layer metallic grating achieve 45 %,and the extinction ratio achieve 450,satisfy requirements for polarization navigation.%为解算大气偏振态来实现精确导航，基于严格耦合波分析，设计了适用于复眼结构的亚波长金属偏振器。针对不同周期、占空比和金属层厚度的单层、双层金属光栅进行了仿真分析，结合实际工艺水平和加工成本，最后选定周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度100 nm的双层金属光栅作为复眼结构的检偏器，设计的双层金属光栅在中心波段450 nm的蓝光（400～500 nm）TM偏振光透射率为45%，消光比达到450，达到用于偏振导航的要求。

【期刊名称】《传感器与微系统》

【年(卷),期】2015(000)002

【总页数】4页(P79-81,84)

【关键词】亚波长金属光栅;严格耦合波分析;周期;占空比;金属厚度

【作者】康宁;唐军;李大林;陈萌;杨江涛;郭浩;刘俊

【作者单位】中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051

【正文语种】中文

【中图分类】TN16

太阳光在传输过程中因大气的散射作用而产生偏振光,并形成的特定的偏振态分布[1]。这种大气偏振模式以太阳子午线为中心线对称线分布，包含了丰富的方位信息。许多生物就能感知到大气偏振光分布的模式，并以此来精确导航定位[2,3]。基于偏振光在导航中的广泛应用前景，国内外纷纷对光学偏振传感器展开了研究。Lambrinos D[4]用偏振器件模仿生物复眼测量光的偏振,并且在移动机器人上构建的偏振罗盘获得了成功应用。Ikeda S[5]等人通过电子束刻蚀在两玻璃基底上分别制作了金属偏振光栅，粘合2片玻璃基底后与光电二极管一起封装制作了微型化的偏振光探测器。大连理工大学褚金奎教授[6]制作了可用于偏振导航的集成偏振光探测器，测量角度误差小于±0.1°。

为了检测天顶各方向的偏振信息，就需要设计多个子眼组成的复眼[7]结构，每个

子眼就相当于一个偏振光探测器。要实现对大气偏振光的精确的检测，设计性能优越的偏振器是其中关键。由于传统的偏振片体积过大不易于集成,而通过电子束光刻、干法刻蚀、纳米压印等MEMS工艺加工可得到具备亚波长结构的金属偏振光栅具备体积小、利于集成和偏振性能好等优点，是作为子眼结构检偏器的理想选择。本文以单层、双层金属光栅结构为基础，针对于中心波段为450 nm的蓝光(400～500 nm)。分析了不同周期、占空比、金属层厚度的金属偏振光栅在可见

光波段的偏振特性，发现在周期200 nm左右时，单层金属光栅的TM偏振光的

透射率要比双层金属光栅要稍大，但是较双层金属光栅的消光比却小了近1个数

量级。通过对调节不同的参数，最终设计了周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度为100 nm的双层金属光栅作为偏振器。

如图1所示，将入射光分为TM偏振光(电场方向与栅线垂直)与TE偏振光(电场方向与栅线平行)，由于入射光的波长要小于光栅周期，TM偏振光入射时，沿栅线

方向的电子振荡受阻，这时光栅层对TM偏振光就如同介质层，TM偏振光可透射过去。而TE偏振光入射时，在栅条方向会激起电子自由振荡，这时TE偏振光就

会光栅层反射[8]。

光栅的周期与入射光波长之间的关系决定了光栅的衍射特性。光栅具有偏振性能说明只有零级衍射。亚波长光栅的光栅周期与入射光的波长的比值达到某一阈值时就能满足零级衍射的条件[9]

Λ(nsin θm+nisin θi)=mλ.

其中，n为光栅基底折射率，m为衍射级次，θm为对应的衍射角，ni空气折射率，θi为入射角。因为只有零级衍射，所以,m=1，θm=π/2，那么,入射角为0时，基底的折射率设定为1.5，λ=450 nm时，周期临界值Λ为300 nm,即要设计的

金属偏振光栅的临界周期为300 nm。