基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片

本发明属于光学偏振探测，涉及用于偏振图像的探测与处理的偏振芯片，具体涉及一种基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片。

背景技术：

1、光作为一种电磁波，其偏振特性是除振幅、波长及相位之外又一个重要属性。自然条件下，由于不同物体在结构性质、材料类型、表面粗糙度和纹理特征等因素上存在差异，光在物体表面反射、透射或散射的过程中会产生与物体特征呈明显相关的偏振态变化，并且通常这些变化与周围环境的偏振态背景形成鲜明对比。因此，在成像系统中引入偏振探测技术，可以综合目标强度和偏振态等多维信息，增强探测目标与环境背景之间的差异，有利于提高对目标的探测和识别能力。该技术在工业检测、环境监测、生物医学和光学遥感等领域有着广泛的应用需求。

2、偏振芯片是实现偏振探测技术的核心元件。传统的偏振芯片是根据光栅理论，在衬底介质上分别生成透振方向为0°、90°、45°和135°的金属线栅。这种金属线栅结构可以实现高透过率、大带宽、高消光比的线偏振探测，是偏振探测技术领域常用的方案。但是这种结构原理上无法针对圆偏振分量进行探测和提取，因此无法实现对待测目标的全斯托克斯矢量的重建。

技术实现思路

1、针对上述现有偏振探测元件无法提取圆偏振分量的技术问题，本发明的目的在于，提供一种基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，在可见光波段能实现全偏振信息获取并能有效抑制噪声，可进一步提高偏振成像系统的探测与识别能力。

2、为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

3、一种基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，包括高透光性介质的下基底，在下基底上设有2×2阵列排布的4个不同透振方向的金属线栅；其特征在于，还有与下基底倒扣贴合的高透光性介质的上基底，在上基底上设有一个介质线栅，其功能等效于宽带四分之一波片；所述介质线栅与下基底其中一个金属线栅中心重合，该介质线栅与所述中心重合的金属线栅夹角成45°或135°夹角，用于实现圆偏态的探测；所述下基底上排布的另外三个金属线栅用于实现三个不同线偏振态的探测。

4、根据本发明，所述单个金属线栅和介质线栅的尺寸为100μm×100μm，其中：

5、所述金属线栅厚度为110nm，所述介质线栅厚度为640nm；所述金属线栅和介质线栅的周期均小于波长，其中，介质线栅材料选择氮化硅；金属线栅材料选择铝。

6、具体地，所述高透光性的上、下基底的材料均选择二氧化硅，厚度为750um。

7、所述金属线栅在所述下基底表面呈梳妆周期排布，其周期为150nm，金属线栅的线栅与线栅之间间隔与宽度相等。

8、所述介质线栅在所述上基底表面呈梳妆周期排布，其周期为256nm，介质线栅的线栅与线栅之间间隔与宽度相等。

9、所述上基底和下基底倒扣组合后的间距为0.9mm。

10、所述金属线栅的线栅的高度为110nm，线栅与线栅之间宽度为75nm，占空比为50％。

11、所述介质线栅的线栅高度为640nm，线栅与线栅之间宽度为164nm，占空比为64％。

12、所述介质线栅的快慢轴分别是沿线栅方向和垂直线栅方向。

13、所述上基底的4个金属线栅和和下基底的一个介质线栅排列方向，对应探测的4个偏振态在庞加莱球上所围成四面体的体积不小于1/6(庞加莱球半径为1)。

14、本发明的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，通过对金属线栅和介质线栅进行排列，得到基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片。待测光从金属线栅端入射，分别得到4个偏振态的线偏振光，随后，其中一个线偏振光继续经过介质线栅，因其偏振方向与介质线栅的快慢轴呈45°或135°夹角，于是该线偏光被转化为相应旋向的圆偏振光出射，其余三种线偏光保持原偏振态出射。针对三种偏振方向的线偏振光和一种旋向的圆偏振光进行计算，可得到原入射光的全斯托克斯矢量参数。

技术特征：

1.一种基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，包括高透光性介质的下基底，在下基底上设有2×2阵列排布的4个不同透振方向的金属线栅；其特征在于，还有与下基底倒扣贴合的高透光性介质的上基底，在上基底上设有一个介质线栅，其功能等效于宽带四分之一波片；所述介质线栅与下基底其中一个金属线栅中心重合，该介质线栅与所述中心重合的金属线栅夹角成45°或135°夹角，用于实现圆偏态的探测；所述下基底上排布的另外三个金属线栅用于实现三个不同线偏振态的探测。

2.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述单个金属线栅和介质线栅的尺寸为100μm×100μm，其中：

3.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述高透光性的上、下基底的材料均选择二氧化硅，厚度为750um。

4.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述金属线栅在所述下基底表面呈梳妆周期排布，其周期为150nm，金属线栅的线栅与线栅之间间隔与宽度相等。

5.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述介质线栅在所述上基底表面呈梳妆周期排布，其周期为256nm，介质线栅的线栅与线栅之间间隔与宽度相等。

6.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述上基底和下基底倒扣组合后的间距为0.9mm。

7.如权利要求4所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述金属线栅的线栅高度为110nm，线栅与线栅之间宽度为75nm，占空比为50％。

8.如权利要求5所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述介质线栅的线栅高度为640nm，线栅与线栅之间宽度为164nm，占空比为64％。

9.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述介质线栅的快慢轴分别是沿线栅方向和垂直线栅方向。

10.如权利要求1所述的基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，其特征在于，所述上基底的4个金属线栅和下基底的一个介质线栅排列方向，对应探测的4个偏振态在庞加莱球上所围成四面体的体积不小于1/6，所述庞加莱球半径为1。

技术总结
一种基于双层光栅结构的宽带全斯托克斯矢量偏振探测芯片，包括高透光性介质的下基底，在下基底设有2×2阵列排布的4个不同透振方向的金属线栅；还有与下基底倒扣方式进行组合的高透光性介质的上基底，上基底上设有一个介质线栅，其功能等效于宽带四分之一波片；介质线栅与下基底其中一个金属线栅中心重合，介质线栅与金属线栅夹角成45°或135°夹角，用于实现圆偏态的探测；所述下基底上另外三个金属线栅用于实现三个不同线偏振态的探测。本发明采用三个金属线栅探测三个线偏振态，一个金属线栅与一个介质线栅联合探测圆偏振态，实现了全斯托克斯矢量测量。且对应探测的4个偏振态在庞加莱球上围成的体积不小于1/6倍球半径的立方。

技术研发人员：李思奇,赵家祺,王国玺,张文富,赵卫
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7