仿生視覺光電傳感器的研究

仿生視覺光電傳感器的研究

自然界生物定位算法對新系統(tǒng)的研究具有重要的啟發(fā)意義。根據(jù)藥理學研究，在撒哈拉沙漠中，有一種稱為cataglyphis的螞蟻能夠?qū)Ш胶投ㄎ涣钊穗y以置信的東西。其導航定位機制是沙蠶視網(wǎng)膜神經(jīng)感桿的結(jié)構(gòu)，具有對天空中偏移光的敏感性。根據(jù)藥理學研究，本研究組提出了一種基于模擬視覺電傳感器的模型。在設計視覺電傳感器的各種設備中，偏轉(zhuǎn)裝置是重要的設備。然而，使用天然晶的雙折射效應的彎曲裝置和二色板膜的位移裝置不能滿足模擬視覺電傳感器的需要。使用天然晶的雙折射效應的計數(shù)器體積過大，成本高。2級膜偏壓片的偏移性能不是最佳的。同時，兩種偏轉(zhuǎn)裝置的最大缺點是，sd技術(shù)的兼容性很差，難以與后續(xù)生產(chǎn)區(qū)集成光膜。亞波長金屬偏振光柵(光柵周期小于入射光波波長)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、偏振特性好,在光通訊、液晶顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景,因而引起了越來越多研究者的興趣.隨著電子束曝光、納米壓印技術(shù)、反應離子刻蝕等微加工工藝的發(fā)展,研究者們已經(jīng)制作出了各種用于可見光波段的金屬偏振光柵.但是,他們設計制作的金屬偏振光柵主要適用于較長的光譜范圍,能夠用于藍紫光光譜范圍的金屬偏振光柵的周期都很小(周期小于150nm);如此小周期金屬偏振光柵的加工制作比較困難,而且費用也比較高.本課題組設計的仿生視覺光電傳感器主要適用于特定的可見光波段(藍紫光波段,380～520nm,中心波長為450nm),針對這個特定波段,筆者設計出一種具有較大周期的透射式金屬光柵偏振器,在整個可見光波段,所設計的金屬光柵偏振器的性能很好,其TM偏振光透射效率和消光比分別大于61.5%和370.1均勻介質(zhì)組成筆者設計的一維矩形金屬光柵偏振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由金屬層、中間層和透明石英玻璃基底3種均勻介質(zhì)構(gòu)成.光柵周期為P;金屬線寬度為W;占空比為f(f=W/P),光柵深度為H.1.1光柵偏振器的等效動態(tài)仿真由于亞波長金屬光柵偏振器的周期小于入射光波的波長,傳統(tǒng)標量衍射理論的假設和近似不再成立,只能利用等效介質(zhì)理論或矢量衍射理論進行分析.目前已經(jīng)廣泛應用的矢量衍射理論主要有嚴格耦合波理論、模式法、積分法、微分法等數(shù)值計算方法.其中嚴格耦合波理論涉及的數(shù)學理論更為簡單,得到了廣泛應用.但是,嚴格耦合波理論的數(shù)值特點使其不能直觀地反映金屬光柵偏振器的工作原理.筆者采用等效介質(zhì)理論定性分析金屬光柵偏振器的工作原理,然后利用嚴格耦合波理論設計金屬光柵偏振器.根據(jù)麥柯斯韋方程的邊界條件,可以得到不同偏振狀態(tài)的光(TM和TE偏振光)在光柵界面上的等效折射率nTE=[fn2222+(1-f)n2112]1/2(1)nTM=[fn?222-2+(1-f)n?211-2]-1/2(2)式中:n1為空氣的折射率;n2為光柵介質(zhì)的折射率;f為光柵的占空比.一般金屬材料的折射率為n2=n+ik.把金屬折射率代入式(1)和式(2),可以計算出光柵金屬層的等效折射率.圖2是TM和TE偏振光入射時,光柵金屬鋁層的等效折射率隨入射光波長變化的關(guān)系.通過分析圖2,可以得出結(jié)論:對于TE偏振光,光柵金屬層等效折射率的實部和虛部都比較大,光柵金屬層等效于金屬膜,因此大部分TE偏振光被反射和吸收;對于TM偏振光,光柵金屬層的等效折射率的實部很大,而其虛部很小(趨于零),光柵金屬層等效于具有微弱吸收性質(zhì)的電介質(zhì)層,因此大部分TM偏振光被透射,只有很小部分被吸收和反射.因此,分析光柵金屬層的等效折射率能夠更直觀地理解金屬光柵偏振器的工作原理.1.2金屬光柵偏振器結(jié)構(gòu)參數(shù)設計及仿真結(jié)果金屬光柵偏振器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是光柵周期、光柵占空比和光柵深度.其中決定光柵性能(TM透射效率和消光比)的關(guān)鍵參數(shù)是光柵周期與入射光波長的關(guān)系.當光柵周期大于入射光波長時,光柵具有多級衍射波,因此,光柵只能被用作衍射光柵,而不能作為偏振器使用;當光柵周期遠小于入射光波長時,光柵只有零級衍射波、具有很強的偏振性、透射偏振方向與光柵柵線垂直的TM偏振光,而反射偏振方向與光柵柵線平行的TE偏振光,可以作為性能良好的偏振器使用.光柵只存在零級衍射波而不存在高級衍射波的條件為P=λn1sinθcosΨ+(n23?n21sin2θsin2Ψ)1/2(3)Ρ=λn1sinθcosΨ+(n32-n12sin2θsin2Ψ)1/2(3)式中:P為光柵周期;n1和n3分別為空氣和光柵基底的折射率;λ為入射光波長;θ為入射光的入射角;Ψ為入射光的方位角.當入射光波波長為380nm且垂直入射時,根據(jù)式(3)計算,得到光柵的最大周期為P=380/1.5=253.3nm文獻中討論了金屬光柵偏振器性能(TM偏振光投射效率和消光比)與光柵周期和光柵占空比的關(guān)系,同時,考慮到后續(xù)加工工藝,選擇所設計的光柵周期和占空比分別為200nm和0.5.對于本文后面的仿真計算,光柵的周期和占空比都選擇200nm和0.5.通過對圖3～圖5的分析,可以得到所設計的金屬光柵偏振器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:光柵周期為200nm;光柵占空比為0.5;金屬鋁層的厚度為160nm;未刻蝕的氟化鎂薄膜的厚度為50nm;刻蝕的氟化鎂薄膜的厚度為15nm.如圖6所示,本文設計的金屬偏振光柵在整個可見光波段具有良好的偏振性能,在垂直入射條件下,光柵的TM透射效率大于61.5%,消光比大于370.在藍紫光波段,與未刻蝕氟化鎂的光柵和傳統(tǒng)光柵相比,本文設計的光柵的TM透射效率和消光比都增大.在入射光波長為450nm且垂直入射的條件下,其TM透射效率為86.7296%,分別是未刻蝕氟化鎂的光柵和傳統(tǒng)光柵的1.035倍和1.103倍;其消光比為1255.322,分別是未刻蝕氟化鎂的光柵和傳統(tǒng)光柵的1.171倍和1.42倍.同時,本文設計光柵的氟化鎂薄膜厚度(65nm)是未刻蝕氟化鎂光柵的氟化鎂薄膜厚度(220nm)的29.55%,這樣不僅減小了鍍膜的難度,而且增加了鍍膜的牢固度,從而增大了光柵的使用壽命.通過分析圖6可以發(fā)現(xiàn),光柵層中增加的氟化鎂薄膜主要改善了短波長入射時光柵的性能.在短波長光入射時,光柵的TM透射效率得到明顯改善,但在長波長光入射時,光柵的TM透射效率略微減小;但是,在整個可見光光譜范圍內(nèi),光柵的消光比卻有明顯的改善.2金屬光柵偏振器的應用本文基于嚴格耦合波理論設計了一種新型的透射式金屬光柵偏振器,并應用等效介質(zhì)理論直觀地分析了其工作原理,這種金屬光柵偏振器在整個可見光波段具有良好的偏振性能.在垂直入射條件下,本文設計的金屬光柵的TM透射效率大于61.5%,消光比大于370.與相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的其他金屬光柵相比,本文設計的光柵在較寬的帶寬內(nèi)具有更高的TM偏振光透射效率和消光比.在藍紫光光譜范圍