[发明专利]一种圆偏振光检测器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学和信息光学领域，尤其涉及一种圆偏振光检测器及其制造方法。

背景技术

自第一代CCD的发明至如今集成千万像素的图像传感器的出现，人们在感受日益丰富而又细腻的图像的同时，针对不同应用场景而提出了新的要求。例如，在烟雾弥漫条件下，只获取光强信息的图像传感器无法实现透过烟雾的清晰成像；特别是在高速公路上，大雾天气增加了交通压力，对于人们的行车安全构成严重威胁。另外，在硝烟纷飞的战场中，如何实现超距清晰分辨成像，对于辨别敌我双方具有重大意义。

在电磁散射环境中，光学偏振态探测与分析能得到光强无法具有的信息。偏振光学技术在雾霭条件下提高目标成像对比度，大气污染物检测、指纹识别、大气湍流下的高空目标识别以及人类早期皮肤癌诊疗等方面具有良好的应用前景。

获取斯托克斯(Stokes)参量(S₀,S₁,S₂,S₃)的方法是光学偏振检测的关键技术之一。Stokes参量能够完全地描述光的偏振特性，包括非偏振光的自然光。该参量的获取需要涉及4个独立单元，其作用分别为：任何光的透过率为原来的一半；只透过X轴极化偏振光；只透过Y轴极化偏振光；只透过右旋偏振光；其中Z轴为光的传播方向。

偏振成像超分辨能力的实现依赖于偏振检测单元的小型化和大规模集成化。近年来，利用亚波长偏振光栅透镜阵列实现Stokes参量的同步测量备受重视。整个阵列中，核心技术难点在于亚波长光栅圆偏振检测器的设计与制作。早期圆偏振检测器由多层金属薄膜组成，这种结构左、右旋圆偏振光消光比不稳定，带宽窄制造工艺复杂。

目前国际上一般采用具有圆形、螺旋以及双螺旋等二维周期或准周期复杂纳米结构的金属(Al,Ag或Au)来构建，并利用表面等离激元对光的调制获得了具有一定消光比的圆偏振探测结构，如公开号为CN101852884B的专利文献公开的一种双螺旋状金属线栅圆偏振器，以及公开号为CN101782666B的专利文献公开的一种螺旋状金属线栅圆偏振器。现有的圆偏振探测单元存在左、右旋光消光比小(<10)、不稳定以及制造工艺复杂的缺点。

发明内容

本发明提供了一种具有螺旋金属环结构的圆偏振光检测器，利用金属表面等离激元对光传播行为的调制，在可见光波段实现了左、右旋消光比接近30。

一种圆偏振光检测器，包括透明载体和嵌设在该透明载体内且同心布置的多个螺旋金属环，每个螺旋金属环由若干绕成环形的金属片组成；

每个金属片具有边e、边f、边g和边h，边h和边f分别位于对应螺旋金属环的内外边界上，边e和边g分别位于两条以螺旋金属环圆心为起点的阿基米德螺旋线上。

其中，每个螺旋金属环的径向宽度应小于待测光束波长，设各螺旋金属环径向宽度依次为D₁,D₂,D₃,...D_n，n为螺旋金属环的个数，并满足Dn在一个波长(待测光束)范围内，以降低光的传播损耗。

其中，相邻两个螺旋金属环的间距小于亚波长，设相邻螺旋金属环之间的距离依次为d₁,d₂,d₃,...d_n-1，并满足d_n-1在亚波长范围内，以增强各环之间的局域场耦合。

其中，在同一螺旋金属环内，相邻两个金属片之间的最大距离小于待测光束的波长。

在每层螺旋金属环内，各金属片绕对应螺旋金属环的中心分别旋转弧度θ1,θ2,θ3,...θn后重合，且各各环旋转弧度的数值可以将2π整除，并满足各环内部金属片之间的距离在亚波长范围内，以增强各环内金属片之间的局域场耦合。

其中，处于最外的螺旋金属环的外周半径小于待测光束的20个波长，即最外层螺旋金属环的半径控制在二十个波长(待测光束)范围内。

其中，边e和边g处于阿基米德螺旋线上，阿基米德螺旋线的起始半径与末端半径的半径差小于待测光束的10个波长，且所述末端半径对应的末端相位处于(0,6π)范围内。