Si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法

本发明属于微纳光学、多光谱和偏振成像，涉及一种用于中波红外光谱偏振调控的si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法。

背景技术：

1、多光谱偏振成像技术可以通过几个或十几个光谱波段的同时偏振成像，获取地物场景的多光谱信息，实现地物空间辐射信息、光谱信息、偏振信息的同步获取，在目标探测与识别、生物医学成像、生态环境的监测与检测分析等领域有着重要的应用。传统的多光谱成像的分光方式主要包括色散型、干涉型和滤光片型分光。

2、在红外多光谱成像探测中，利用目标辐射的偏振特征可以有效抑制背景杂波，提高目标与背景的对比度，增加目标物的信息量，从而有利于目标的检测和识别。目前，已经发展了多种获取目标偏振信息的技术，主要包括分时偏振成像技术、分振幅型偏振成像技术、分孔径型偏振成像技术以及分焦平面型偏振成像技术。然而，前三种传统偏振成像系统以及传统的多光谱分光方式存在系统结构复杂、体积较大、稳定性差等缺点，难以满足现代器件集成化、微型化的发展需求。

3、获取多光谱偏振信息能够提供比传统成像更丰富的多维数据，显著提升目标识别和成像质量。在中红外波段，多光谱偏振成像在导弹制导、森林火灾监控以及工业无损检测等领域发挥重要作用。传统获取中波红外多光谱偏振成像信息的方法主要包括使用多光谱滤光片轮、液晶或声光可调滤光片、多通道分束器和偏振片轮等技术。这些方法通过滤光片或偏振片的切换和分光实现不同波段和偏振角度的成像，但面临着机械运动、速度限制和系统复杂性等问题。

4、新型的微偏振片阵列能够在一个快门周期内同时捕获多光谱偏振信息，大幅提高成像速度和同步性。随着焦平面阵列技术的最新进展，可以将微光偏振元件直接集成到焦平面阵列上，从而实现分焦平面偏振成像系统，这种系统具有实时性好、体积小、结构紧凑、集成度高等优点。超表面作为一种新兴的平面光学结构，能够高度集成多个功能于一个超薄平面内，在各种光束调控应用中展现出巨大的潜力。因此，将超表面结构阵列作为多光谱偏振元件，与光电探测器集成实现无需滤光片的多光谱偏振光电探测器。通过设计超表面结构阵列的透射光谱并进行和探测器吸收光谱的匹配，可以实现中红外波段的多通道、窄带宽、低串扰光电偏振探测与成像，为实现中红外多光谱偏振探测成像提供更多可能性。

技术实现思路

1、为了实现上述体积小、集成度高的分焦平面型偏振成像系统，本发明的目的是提供一种si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列的设计方法，通过设计在tm偏振方向具有宽带全透射谱、在te偏振方向波长选择性不透射的si线栅超表面结构，实现在中波红外具有线偏振响应与窄带高消光比的纳米结构多光谱偏振片阵列。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

3、本发明公开的si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法，包括如下步骤：

4、步骤一、构建si线栅超表面结构，将si线栅超表面的几何结构尺寸参数化，包括si线栅的周期、高度、占空比；采用时域有限差分法对超表面结构进行仿真模拟，在中波红外波段内对不同的si线栅超表面结构参数进行扫描，以实现线偏振选择性响应；绘制不同超表面结构参数所对应的消光比曲线图，分析不同si线栅超表面的尺寸与其对应消光比的关系；根据得到的si线栅超表面尺寸对应消光比曲线，确定若干关键波长下具有高线偏振消光比的si线栅超表面结构尺寸。

5、步骤一具体实现方法包括如下步骤：

6、步骤1.1：利用仿真设计软件对si线栅超表面进行结构建模，其结构为周期性排布的si纳米线栅，结构参数为周期(pitch)、高度(h)和占空比(r)。

7、步骤1.2：采用时域有限差分法分别对每个参数进行范围扫描寻优，分别获得si线栅超表面结构对于tm偏振光与te偏振光的透过率。根据公式(1)计算消光比，并绘制获得波长-消光比曲线。首先固定占空比与周期两个参数，在中波红外波段范围内对si线栅高度这一参数进行扫描寻优。

8、er＝ttm/tte                               (1)

9、其中，er(extinction ratio)为si线栅超表面结构的线偏振消光比，ttm为si线栅超表面结构对于tm偏振光的透过率，tte为si线栅超表面结构对于te偏振光的透过率。

10、步骤1.3：确定结构参数高度的最优结果后，固定高度与周期两个参数，在中波红外波段范围内对si线栅占空比这一参数进行扫描寻优。

11、步骤1.4：确定si线栅超表面结构参数高度和占空比的最优结果后，固定高度和占空比两个参数，在中波红外波段范围内对si线栅周期这一参数进行扫描寻优。

12、作为优选，选取仿真结果中对于tm偏振光透过率接近1、te偏振光透过率在选定波长处接近0的si线栅结构参数作为扫描所寻最优结果。

13、步骤二、根据扫描得到的si线栅超表面优选结构参数所对应的消光比曲线，在中波红外内确定若干关键波长下具有高线偏振消光比的si线栅超表面结构尺寸。

14、作为优选，根据得到的消光比曲线，选取线偏振消光比高于1000作为所需的高线偏振消光比，并选取其所对应的结构参数作为si线栅超表面结构参数扫描寻优结果。

15、步骤三、构建光电探测器结构，并构建光电探测器与si线栅超表面结构集成的单元结构，包括三层结构，三层结构自下而上主要由光电探测器、sio2以及si线栅超表面阵列构成。根据步骤二中所确定的若干关键波长下具有高线偏振消光比的si线栅超表面结构，将优选的si线栅超表面结构集成在光电探测器上方，设置超表面与探测器的距离，采用时域有限差分法对光电探测器结构的吸收率谱进行仿真模拟，并获得最佳距离。

16、作为优选，根据得到的吸收率谱，选取吸收率接近80％所对应超表面与探测器距离为优选的最佳距离。

17、作为优选，根据得到的消光比曲线，选取消光比带宽低于100nm所对应的si线栅超表面结构与光电探测器结构进行集成，得到拥有窄带高线偏振消光比的探测器结构，其中消光比带宽是指消光比下降到峰值消光比一半时所对应的波长间隔。

18、步骤四、根据对集成后的光电探测器结构进行仿真分析结果，si线栅超表面结构的高度、占空比以及周期这三个结构参数的组合设计实现超表面结构的线偏振光响应，并确定若干关键波长下具有窄带高线偏振消光比的si线栅超表面结构尺寸，以设计得到具备窄带高线偏振消光比的红外偏振探测器结构。通过改变si线栅超表面结构的尺寸参数实现对光电探测器吸收光谱的调控，使si线栅超表面结构具备在较宽波段波长可调谐且具有窄带高线偏振消光比的红外偏振探测能力。

19、作为优选，步骤一中所述si线栅超表面结构由折射率高于1.7的半导体材料构筑，半导体材料为si、ge或tio2。

20、有益效果：

21、1、本发明公开的si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法，通过设计纳米尺度的超表面结构以实现线偏振选择性响应，并利用其对光谱进行调控，实现光电探测器在关键波长处具有高线偏振消光比的集成，无需传统的滤光片就可以实现对光谱的调控，具备光路简单、集成度高、器件小型化的优势。

22、2、本发明公开的si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法，将在tm偏振方向具有全透射超宽吸收谱特性、在te偏振方向波长选择性不透过的si线栅超表面与光电探测器集成，可解决光电偏振探测器吸收率较低的问题。

23、3、本发明公开的si基超表面结构的中波红外多光谱偏振片阵列设计方法，通过改变si线栅超表面结构的各尺寸参数，对光电探测器吸收光谱进行调控，实现在中波红外内的多光谱窄带高线偏振消光比探测，有利于提高红外偏振探测器的光谱选择性，可应用于多光谱偏振探测领域。