[发明专利]全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法

说明书

一种全斯托克斯偏振成像元件，包括透光基底和位于透光基底上的介质结构层，所述的介质结构层由超像素单元阵列组成，所述的超像素单元包括4个不同取向的介质线栅结构和2个不同旋向的旋转对称手性结构。该元件可通过电子束曝光和显影技术以及反应离子束刻蚀等工艺流程制得。该元件可实现实时全偏振成像，该全斯托克斯偏振成像元件中线偏振片的透过率在1.7～1.8μm处为99％以上，消光比20dB以上，最高可达到55dB；其圆偏振二色性在1.75μm处圆二色性最高可达到96.8％；同时，该元件结构简单、性能优良，同时原料来源广、制备简易，在偏振成像领域具有很大的应用价值。

技术领域

本发明涉及偏振光学元件，具体涉及一种全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法。

背景技术

近年来，随着偏振技术的不断发展，其在目标识别与探测方面发挥着越来越重要的作用。由菲涅尔公式可知，当物体在发射、反射、散射以及透射电磁波的过程中，会产生与自身特性相关的特定偏振信息。不同物体，甚至不同状态的相同物体的偏振信息都会存在差别。偏振探测可以提供比传统强度探测和光谱探测更多的关于目标的信息。偏振成像技术成为传统强度成像和光谱成像之外的第三种成像技术，逐渐引起各国研究者越来越多的关注。

偏振成像技术是将偏振探测技术与成像技术相结合的产物。偏振成像技术主要是在原有的成像系统上，增加偏振检测装置，配合相应的偏振调制器件和偏振测量算法，通过测量光线的各个偏振分量，进而得到被测光线的部分或全部的偏振状态信息，通常是Stokes矢量图像或Mueller矩阵图像，用以表征被测光线的偏振状态。通过对这些偏振信息图像的分析和计算，可以进一步得到更多的偏振参数图像，如偏振度、偏振角、椭圆率角、偏振传输特性等图像，其结果可用于分析被测物的形状、粗糙度、介质性质甚至生物化学等各项特征信息。

近几十年来，偏振成像技术已经成为国内外众多高校和科研机构的研究对象，在天文探测、目标识别、医疗、军事、测量等众多方面具有重要的作用，发挥着巨大的潜力。传统的偏振成像技术一般是通过高速旋转偏振片，来获得物体不同偏振方向的信息，但是这种方法只能适用于静态物体或者低速移动物体的探测，无法实时获取目标在同一时刻的不同偏振方向的偏振信息，并且这种方法对成像系统的稳定性要求比较高。像素式微型偏振器阵列的出现解决了这个问题，它通过将不同取向的金属光栅偏振器集合到一个阵列中，可以将此阵列与CCD相机相结合，阵列中的像素与CCD相机的像素一一对应，因而可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，并且无需旋转偏振片，因而对成像系统的稳定性要求较低。这样，同一目标场景的全Stokes矢量偏振信息就能一次性获得，并且结构简单，可以实现实时全偏振成像。2012年，Bachma等人在提出了一种含有腔结构的双螺旋线圆偏振片之后，又结合前期报到的表面等离子体超高微偏振器件进一步提出了全偏振器件(Bachman,K.A.,Opt.Express,20,1308-1319(2012))。但圆偏振二色性结构的透过率很低，仅为4.9％，且制作工艺复杂，难以真正制备出与实际探测器相匹配的真实器件。同年，Afshinmanesh等人提出并制作了一种能够测量全Stokes偏振矢量的硅基光探测器。他们通过将具有阿基米德线型的圆偏振二色性结构单元与线型狭缝偏振结构单元结合制作出像素式全Stokes偏振器件(Afshinmanesh,F.Nanophotonics,1,125–129(2012))。但由于阿基米德线型圆偏振二色性器件的性能不够理想，该圆偏振结构单元的消光比理论值为1.96，实验测量值仅为1.13，因此严重影响了探测器的性能。2015年，Hsu W.L.等人基于二色性染料、液晶和胆甾型液晶手性掺杂剂的特殊性质，设计并制备了与CCD结合的像素式全Stokes矢量偏振器件(Hsu,W.L.,Opt.Express,23,4357–4368(2015))。但由于使用二色性染料制备出的偏振器的消光比不高而且多层液晶膜结构制作工艺复杂，这些因素严重限制了该类型全Stokes偏振器件的应用。

综上所述，现有材料存在明显的偏振光透过率不高等缺点，无法适合工业应用，因此严重限制了像素式偏振成像的发展。

发明内容