一种全固态可调控偏振成像器件

1.本发明涉及偏振光学控制和纳米光学领域，具体涉及一种全固态可调控偏振成像器件，采用电压切换的方式实现强度探测(vo2介质态)和偏振成像探测(vo2金属态)切换的器件，可应用于机载、星载和弹载等成像系统。


背景技术：

2.激光具有强度、波长、偏振和相位等信息，已有的探测器只能实现光的强度探测，难以实现对偏振、波长等信息的多维探测能力。其中，偏振光探测技术是利用光电探测器获取目标物体的反射或辐射的偏振态信息，具有抗环境干扰能力强、分辨材质属性等优势，在工业检测、生物医学、人脸识别和自动驾驶等领域展现出广泛的应用前景。
3.国内外已发展出多种偏振探测方法，目前较常用的主要有：机械旋转偏振光学元件、液晶可调滤光片型偏振装置、分振幅型偏振成像装置、分孔径型偏振成像装置、分焦平面型和通道调制型偏振成像装置。旋转偏振片的方法采用运动部件，使其体积、重量、抗振能力、环境适应能力难以满足应用要求，且难以实现对运动目标的观测；液晶调制型对光的损耗大(尤其对红外)，光通量低；分振幅型光路调节困难，体积庞大、结构复杂，成本高；分孔径型光路复杂，偏振微透镜阵列制作难度高；分焦平面型存在与相机像元的精确配准问题，分辨率低，大多处于探索阶段，性能指标离实用还有一定的距离；通道调制型探测距离短，成像质量尚待提高。上述的偏振探测方法都会不可避免的牺牲50％入射光强，导致相机的光通量降低。在弹载偏振探测应用场景中，偏振探测技术的引入会导致原有的强度探测距离减半，严重限制了偏振探测技术的实际应用。
4.现有的解决方法是采用机械旋转的方式实现偏振元件的切入与切出，实现偏振探测与强度探测间的动态可切换，使得探测系统能够兼备强度探测的远距离、偏振探测的“凸显目标、穿透烟雾、辨别真伪”的独特优势。然而，机械旋转的方法存在切换速度慢、体积大、重量重、抗负载能力差、难集成等问题。


技术实现要素：

5.针对上述存在问题或不足，为解决传统机械式旋转偏振器件的体积大、重量大和可靠性差的问题，本发明提供了一种全固态可调控偏振成像器件，为全固态、小型化、易集成的偏振成像器件，可实现强度探测与偏振探测间的高速电切换，从而避免了偏振单元的引入导致原有强度探测出现50％能力衰减的问题，可应用在精确制导领域，从而对目标的智能识别和精确打击。
6.一种全固态可调控偏振成像器件，为基本单元以相等周期p排布构成的光栅结构，并在光栅结构的两侧端分别设有连通同侧光栅的两个电极，其中p＝400nm～4μm。
7.所述基本单元为vo2相变材料制成高度h、长度l、宽度w的光栅单元，其中l＝1～2cm，w＝200nm～2μm，h＝100～400nm。
8.进一步的，所述基本单元采用透明衬底承载光栅结构实现支撑。
9.进一步的，所述透明衬底为镂空衬底，以降低器件热容，即减少通电升温和降温过程中器件吸收和释放的热量，提高电切换速度，并且减少衬底带来的反射和吸收影响，使得介质态的透过率提高。
10.进一步的，所述透明衬底为红外透明基片，使得在红外(2μm～14μm)频段具有高透过率的优势。
11.进一步的，所述透明衬底材料为二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌或硒化锌。
12.本发明的全固态可调控偏振成像器件，保证支撑的前提下：优选无衬底，器件没有衬底反射和吸收的影响，介质态的透过率提高。
13.进一步的，所述光栅结构通过电极的材料及结构选择实现自支撑，以更好的降低器件热容，提高电切换速度，并且减少器件采用透明衬底承载带来的反射和吸收影响，使得介质态的透过率更佳。
14.进一步的，所述自支撑的方式为目标载体上预设两个电极的限位部，通过将两个电极装配至目标载体相应的限位部实现整个全固态可调控偏振成像器件的自支撑。
15.进一步的，上述全固态可调控偏振成像器件在使用时，当需要强度探测，不加电压，vo2处于介质态，对任意偏振入射光高透过，不牺牲ccd的光通量；当需要偏振探测时，通过两个电极外加电压偏置，vo2处于金属态，偏振方向垂直于光栅的入射光高透过，平行于光栅方向的光被反射和吸收，实现对偏振态的探测和成像。整个装置可集成到ccd上，尺寸小、全固态、无需对准装配。
16.本发明基于相变材料，vo2作为一种易失性相变材料，在68℃时发生绝缘-金属态的转变，特别是在红外(2μm～14μm)频段具有高折射率变化和低功耗的优势，能够实现在偏振功能单元的电可调谐，从而实现器件的全固态、小型化、集成化、高可靠性和高速电切换。
17.综上所述，本发明通过制备vo2相变材料的光栅结构，通过电调控的方式实现ccd强度成像和偏振成像间的切换，并易于光电集成封装，解决了机械旋转方式带来的体积大、重量重、抗负载能力差、切换速度慢等问题。可应用于机载、星载和弹载等成像系统，具有着重要的应用前景和意义。
附图说明
18.图1为本发明的结构和电调控功能示意图；
19.图2为本发明的基本单元结构示意图；
20.图3为实施例不同偏振态和vo2介质/金属状态下的透过率谱线图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
22.本实施例设计并制备了一种全固态可调控偏振成像器件。
23.在10mm
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10mm的氟化钡衬底层上构建高度h＝220nm、长度l＝10mm、宽度w＝2μm的基本单元，并等间距排布构成光栅结构；在光栅结构的两侧端分别设有连通同侧光栅的两个电极(如图1所示)。基本单元如图2所示，p＝4μm。
24.在不加电压偏振时，vo2相变材料处于介质态，由于光栅周期小于入射光波长，此
时的vo2光栅与空气可以等效成一层低损耗的等效介质层，对任意偏振的入射光具备高透过率。当外加偏置电压，vo2相变至金属态，对于偏振方向垂直于光栅的入射光，不与结构发生作用，完全透过，而偏振方向平行于光栅方向的入射光会激发表面等离子共振，从而产生高吸收和反射，透射光弱，产生较高的消光比，从而实现对偏振光的探测(如图1所示)。
25.对于本实施例制备的器件进行测试分析，图3为器件在8～14μm波段的透过率测试谱线。测试结果可见：在vo2为介质态的时，tm偏振(垂直光栅方向)和te(平行于光栅方向)偏振光在整个波段具有相同的透过强度，最大透过率达80％；当vo2相变至金属态时，tm偏振具有高透过率，最大透过率达50％，te偏振透过较弱，最大透过率仅为10％。
26.通过以上实施例分析可见，本发明通过将vo2的亚波长基本单元周期地排列在透明氟化钡衬底上构成光栅结构。通过加电改变vo2相变材料的状态，实现了全偏振透射和偏振选择性透射间的切换，进而结合ccd能够实现强度成像与偏振成像间的电切换，工作在中远红外波段。本发明采用的电切换方式，可有效地解决现有技术机械旋转带来的可靠性差、体积大、重量重和切换速度慢等问题，可应用于机载、星载和弹载等成像系统，具有着重要的应用前景和意义。


技术特征：
1.一种全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：为基本单元以相等周期p排布构成的光栅结构，并在光栅结构的两侧端分别设有连通同侧光栅的两个电极，p＝400nm～4μm；所述基本单元为vo2相变材料制成高度h、长度l、宽度w的光栅单元，其中l＝1～2cm，w＝200nm～2μm，h＝100～400nm。2.如权利要求1所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述基本单元采用透明衬底承载光栅结构实现支撑。3.如权利要求2所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述透明衬底为镂空衬底，以提高电切换速度，并且减少衬底带来的反射和吸收影响，使得介质态的透过率提高。4.如权利要求2所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述透明衬底为红外透明基片。5.如权利要求2所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述透明衬底材料为二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌或硒化锌。6.如权利要求1所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述光栅结构通过电极的材料及结构选择实现自支撑，以降低器件热容，提高电切换速度，并且减少器件采用透明衬底承载带来的反射和吸收影响，使得介质态的透过率提高。7.如权利要求6所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：所述自支撑的方式为目标载体上预设两个电极的限位部，通过将两个电极装配至目标载体相应的限位部实现整个全固态可调控偏振成像器件的自支撑。8.如权利要求1所述全固态可调控偏振成像器件，其特征在于：使用时，当需要强度探测，不加电压，vo2处于介质态，对任意偏振入射光高透过，不牺牲ccd的光通量；当需要偏振探测时，通过两个电极外加电压偏置，vo2处于金属态，偏振方向垂直于光栅的入射光高透过，平行于光栅方向的光被反射和吸收，实现对偏振态的探测和成像。

技术总结
本发明涉及偏振光学控制和纳米光学领域，具体涉及一种全固态可调控偏振成像器件。本发明通过制备VO2相变材料的光栅结构，配合光栅结构两侧的电极通过电调控的方式实现CCD强度成像和偏振成像间的切换，从而实现器件的全固态、小型化、集成化、高可靠性和高速电切换。并易于光电集成封装，解决了现有技术机械旋转方式带来的体积大、重量重、抗负载能力差、切换速度慢等问题。可应用于机载、星载和弹载等成像系统，具有着重要的应用前景和意义。具有着重要的应用前景和意义。具有着重要的应用前景和意义。


技术研发人员：秦俊 马俊伟 康同同 毕磊 邓龙江
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/9/13