大连理工褚金奎团队：用于芯片集成的全斯托克斯偏振成像超材料设计与制造

大连理工大学褚金奎团队在国际光子学领域著名期刊《ACS photonics》最新研究成果：用于芯片集成的全斯托克斯偏振成像超材料设计与制造

研究背景：

对全斯托克斯偏振成像的需求，推动了集成圆偏振与线偏振滤波器的像素级超材料的研究。然而，目前仍严重缺乏易于制造、性能卓越且能与成像传感器集成的全斯托克斯超材料。因此，迫切需要开发一种制造工艺，能够实现生产质量高、性价比好、光学性能优越的全斯托克斯像素化超材料。

内容介绍：

为实现“可见光到近红外波段的全斯托克斯偏振成像”的目标，大连理工大学褚金奎教授、张然副教授团队根据螳螂虾复眼的灵感设计了一种在可见光和近红外波段下可制作在成像传感器上的大面积的像素化超材料（图1）。团队采用纳米压印、铝热蒸发、干涉光刻等工艺制造了集成像素化超材料的芯片。表征了圆/线偏振转换器、线偏振滤波器和圆偏振滤波器的光学性能，在可见光和近红外波段表现出较强的圆偏振二向色性、线偏振透射率和消光比。通过微纳工艺将像素化超材料与成像传感器集成，成像传感器从而具有线偏振和圆偏振的全斯托克斯检测功能，并且能够大面积、低成本、高效率的制备。 

图1.用于芯片集成的全斯托克斯偏振成像超材料

这一研究成果以题为“Design and Fabrication of Chip-Integrated Metamaterials for Vis-NIR Full Stokes Polarization Imaging”发表在最新一期的《ACS photonics》上，文章第一作者是大连理工大学机械工程学院博士研究生郭庆。 

【结构设计与超晶胞模型策略】 

图2.像素化超材料的结构设计和超晶胞模型策略

在结构设计与超晶胞模型层面，为赋予超材料能够检测线偏振和圆偏振的功能，研究者们以螳螂虾复眼构造为原型（图2a），设计了由8个单元滤波器组成的超晶胞，分别可以过滤0°、45°、90°、135°的线偏振光及左旋、右旋的圆偏振光（图2b-c）。线偏振滤波器主要由双层铝线栅构成，圆偏振滤波器是由一个上层的圆/线偏振转换器和下层的线偏振滤波器呈相对角度45°集成实现。（图2d-e）。 

【器件设计与仿真模型策略】 

图3 器件设计与仿真分析

在器件设计与仿真模型层面，圆/线偏振转换器是基于单层纳米铝线栅来实现精确相位延迟调控和较高的透射率（图3a）。通过计算偏振光的归一化电场分布来观察不同入射偏振光的独特近场分布（图3b）。调节圆/线偏振转换器的几何形状，能够精确调控相位延迟在90°（图3c）。扫描了线偏振滤波器的材料、占空比、周期、高度、间隙对于透射率和消光比的影响，从而确定了线偏振滤波器的材料和几何尺寸，并解算出在此尺寸下的透射率和相位延迟（图3d）。线偏振滤波器在可见光和近红外波段对TM偏振光和TE偏振光具有较大的选择性（图3e）。由于圆/线偏振转换器与线偏振滤波器的集成受到隔离层的影响（图3f），采用时域有限差分法分析隔离层对于圆偏振滤波器的圆偏振透射率、圆偏振二向色性和圆偏振消光比的影响。（图3g-j）。 

【高性能器件制备工艺及表征】 

图4.高性能器件制备工艺及表征

在制备工艺与表征层面，研究者们基于设计方法制定了像素化超材料的制造过程，包含有紫外纳米压印、金属热蒸发、光刻、显影、刻蚀及去残留等工艺（图4a）。利用具有线偏振滤波器阵列结构图形的IPS柔性模板完成纳米压印过程，能明显的看出镍模板上的图案已经完全复制到IPS柔性模板（图4b-c）。通过紫外纳米压印技术实现了IPS柔性模板制造介质线栅的过程（图4d）。铝热蒸发工艺在介质线栅表面形成基于双层铝线栅结构的超晶胞单元（图4e-f）。原子力显微镜表征显示紫外纳米压印这种物理接触技术实现了优越的介质纳米线栅的结构一致性，并且可显著的降低表面粗糙度（Ra=5.7nm）（图4g-h）。扫描电子显微镜表征显示制造的圆/线偏振转换器均匀的排列在线偏振滤波器的顶部（图4i-l）。 

【像素化超材料的光学特性研究】

 

图5.像素化超材料的光学特性研究

超材料的光学特性受到广泛关注。使用紫外可见近红外分光光度计测量了线偏振滤波器的透射率和线偏振消光比（图5a）。在可见光及近红外波段内测量了圆/线偏振转换器的相位延迟和透射率（图5b）。对圆偏振滤波器分别输入左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来表征圆偏振二向色性和圆偏振消光比（图5c-d）。模拟分析了旋转对准误差对圆偏振二向色性和圆偏振消光比的影响，当角度偏差在2°时圆偏振二向色性和圆偏振消光比略有降低，说明设计的器件对制造误差有一定的容忍性（图5e-f）。 

【全斯托克斯偏振相机及偏振成像】 

图6.全斯托克斯偏振相机及偏振成像

将像素化超材料与商用CMOS成像传感器集成在一起构成全斯托克斯偏振CMOS成像传感器（图6a）。像素化超材料具有700×700个滤波器，每个滤波器被定义为一个子像素。每个滤波器集成在CMOS成像传感器下面的一个或多个成像像素之上（图6b-c）。搭建了全斯托克斯偏振相机捕获偏振物体的场景（图6d-e）。使用全斯托克斯偏振CMOS成像传感器捕获成像物体的斯托克斯参数的计算图像和理论的斯托克斯参数图像（图6f-g）。

【总结】

研究者们在像素化超材料设计中融合海洋生物螳螂虾复眼概念，基于时域有限差分法设计线偏振滤波器、圆偏振滤波器和圆/线偏振转换器。通过采用纳米压印、铝热蒸发、干涉光刻等工艺实现了大面积、低成本、高效率的像素化超材料制备，使用紫外可见近红外分光光度计表征圆/线偏振转换器、线偏振滤波器和圆偏振滤波器。最后，将像素化超材料与CMOS成像传感器集成，并进行全斯托克斯偏振成像。未来可以应用于工业检测、医学、自主视觉等领域。

文章信息：

期刊： ACS photonics

题目： Design and Fabrication of Chip-Integrated Metamaterials for Full Stokes Polarization Imaging in VIS-NIR

作者：Qing Guo, Jinkui Chu, Chuxiao Zhang, Chuanlong Guan, and Ran Zhang

DOI：10.1021/acsphotonics.5c02471

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.5c02471