RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC

(RST)

FAZA DE EXECUTIE NR. 2

I. Dezvoltarea tehnologiei de realizare a MTS/MTM micro/nanostructurate si testarea

tehnologiei MTS/MTM. II. Proiectarea modelului functional de analizor de stari de polarizare (ASP).

III. Elaborarea de algoritmi de modelare si simulari polarimetrice pentru ASP ultracompact

Obiectivele anului 2015

1. Dezvoltarea metodei de realizare a MTS/MTM optice micro/ nanostructurate si testarea tehnologiei MTS/MTM (CO);

2. Dezvoltarea tehnologiei de realizare a MTS/MTM optice micro/nanostructurate. Proiectarea

modelelor functionale de polarizor liniar si lamela retardoare in λ/4 (P1); 3. Elaborarea de algoritmi de modelare polarimetrica si integrare pentru analizorul de stari de polarizare

(ASP) acromat (P2).

Rezumatul etapei

Tehnologia de realizare a metasuprafetelor (MTS), respectiv metamaterialelor (MTM)

micro/nanostructurate a fost dezvoltata si testata in cadrul acestei etape prin metoda diferentelor finite

in domeniul timp (FDTD) si realizarea unor polarizori liniari (PL) pe substrat de GaAs si de Si prin realizarea practica a unei masti de fotolitografie la Institutul National pentru Microtehnologie si aplicarea cu ajutorul ei a

procedurii de lift-off in cadrul Institutului National pentru Fizica Materialelor-INCDFM. S-au analizat prin

utilizarea programului FDTD raportul de extinctie pentru PL, decalajul de faza pentru lamela retardoare in sfert de unda (QWP) cu substrat de Ge si transmisiile pentru modul transversal magnetic (TM) si modul

transversal electric (TE) prin ansamblul celor doua componente de polarizare ca analizor de stari de polarizare

(ASP) in domeniul 8-12 µm (LWIR). S-a descris tehnologia de realizare a PL si s-a testat aceasta tehnologie prin realizarea MTS cu grila Ag/GaAs si grila Ag/Si cu urmatorii parametri geometrici: latimea liniilor

800nm, inaltimea liniilor 250 nm, spatii intre linii de 1203 nm. Rezultatele de la analiza ASP integrat indică

faptul că ansamblul realizat din PL și QWP, fiecare componentă fiind fabricata pe substrat propriu și apoi

suprapuse, este prea sensibil la interferente. Aceste interferente sunt produse prin difracția pe structurile periodice definite de grilele de pe PL și QWP. Lumina difractata s-ar imprastia în câmp indepartat pe pixelii

adiacenti ai ariei detectoare. Acest lucru ar putea duce la detectia unei tinte false în imaginea polarimetrică. O

abordare integrată va oferi insa o alternativă mai bună fata de cazul fara acoperiri AR între componente IR de polarizare. In acest caz, grila pentru PL ar putea fi depusa pe substratul QWP ca parte a procesului de

fabricație a dispozitivului ASP. QWP ar trebui să fie fabricata pe propriul substrat și aliniata cu grila de la PL.

ASP-ul integrat ar trebui să aibă acoperiri AR pe ambele suprafețe exterioare. Partea de intrare a QWP

este aproape plata, deoarece Ag este depozitat în santurile din substrat până la suprafața frontala a QWP.Acoperirea AR pentru LWIR ar putea fi depusa între liniile metalice ale PL direct pe substrat numai

pentru aplicații care necesită performanțe maxime.

In cadrul ProOpticii S.A. s-a aplicat fotolitografia clasica pentru testarea tehnologiei de obtinere a unui PL in vizibil cu linii de crom (Cr) depuse pe un suport din sticla BK7, avand perioada de 1,6 µm.

Tehnologia testata este valabila si pentru LWIR prin aplicarea pe un substrat transparent in acest domeniu

spectral. Reteaua realizata este compusa din doua benzi cu latimi egale (banda de Cr + banda libera), rezultand astfel un factor de umplere de 50%. De asemenea, proprietatile optice au fost investigate prin analiza unei

figuri de difractie obtinuta prin iluminarea retelei cu un fascicul laser cu λ = 632,8 nm (laser He-Ne).

Informatiile obtinute au confirmat exactitatea evaluarii prin metoda microscopica.

In IOEL S.A. a fost elaborat si testat algoritmul de prelucrare a imaginilor cu o lamela retardoare cu intarziere de faza variabila si un polarizor liniar. Algoritmul elaborat pentru obtinerea imaginilor Stokes

consta din etapele: 1) alegerea unghiurilor de defazaj, 2) calcularea matricei Muller, 3) calcularea inversei

matricei Muller, 4) achizitionarea celor patru imagini Ik(x,y) (k=1,2,3,4), 5) pentru fiecare punct din imagine se determina vectorul Stokes corespunzator si se obtin in final imaginile Stokes: I(x,y),Q(x,y), P(x,y), U(x,y).

Testarea algoritmului s-a facut in urmatoarele faze: 1. Proiectarea si realizarea unui model experimental

de polarimetru imagistic, 2. Achizitia lamei retardoare cu cristale lichide LCC1221-A, a polarizorilor si

monturilor pentru experimente, 3. Utilizarea de aplicatii MatLab pentru prelucrarea imaginilor achizitionate, 4. Elaborarea concluziilor si recomandarilor pentru etapa urmatoare privind problemele componentelor de

polarizare cu rotatie si a timpilor de achizitie a imaginilor.

Raportul Stiintific si Tehnic (RST)

I. Dezvoltarea metodei de realizare a MTS/MTM optice micro/ nanostructurate si testarea

tehnologiei MTS/MTM (CO)

Introducere Componentele de polarizare, respectiv polarizorul liniar (PL) si lamela retardoare (LR) in sfert de unda

(λ/4) pentru un analizor de stari de polarizare (ASP) sunt utile pentru imagistica polarimetrica in infrarosu cu lungimi de unda mari (long wavelength infrared-LWIR). Imagistica polarimetrica este utilizata in conditii

dificile de vizibilitate: noaptea, pe ceata, fum sau in prezenta altor poluanti atmosferici. Informatia

polarimetrica poate ajuta in scoaterea in evidenta a obiectelor artificiale fata de fondul natural prin teledetectie

termica in numeroase aplicatii de navigatie [1]. Structurile componentelor de polarizare sunt modelate si

simulate functional in cadrul acestui proiect prin metoda diferentelor finite in domeniul timp (FDTD). Metoda

FDTD este folosita tot mai mult în analiza interactiunii câmpului electromagnetic cu materia: analiza

componentelor optice, a ghidurilor de unda, analiza efectelor biologice ale câmpului electromagnetic, etc. Metoda apeleaza la modelarea numerica a interactiunii dintre câmpul electromagnetic si materie pe baza

înlocuirii ecuatiilor diferentiale ale lui Maxwell cu ecuatii cu diferente finite. Cea mai cunoscuta implementare

a FDTD este algoritmul Yee [2], în care spatiul este discretizat într-o retea cubica, în nodurile careia se

memoreaza proprietatile dielectrice si valorile câmpurilor electric (E) si magnetic (H). Derivatele spatiale si

temporale sunt înlocuite cu diferente centrale. Pentru actualizarea câmpului electromagnetic în fiecare punct

din spatiu, se foloseste un algoritm de tip leap-frog (întreteserea în timp a componentelor E si H). Se cunoaste

excitatia aplicata la momentul initial în spatiul 3D, iar apoi se calculeaza evolutia în timp a câmpului electromagnetic. Intr-o analiza FDTD de câmp trebuie avute în vedere în special urmatoarele aspecte: precizia

rezultatelor [3], dispersia numerica din cauza discretizarii spatiului, stabilitatea algoritmului.

Actuala faza urmareste sa modeleze componentele de polarizare si sa analizeze prin utilizarea programului FDTD comportarea ansamblului ASP in domeniul LWIR, sa descrie tehnologia de realizare a PL

si LR, sa testeze aceasta tehnologie prin realizarea metasuprafetelor (MTS), respectiv a metamaterialelor

(MTM) micro/nanostructurate pentru componente de polarizare. Polarimetria imagistica evalueaza starile de polarizare ale luminii in toate punctele scenei vizate. O

abordare polarimetrica simplificata utilizeaza o lamela retardoare (LR), cu posibilitate de rotire in planul

suprafetei, inseriata cu un polarizor liniar (PL) fix. Cu aceste componente, prin rotirea cu unghiuri de 90° a

LR, se achizitioneaza mai multe imagini secventiale pentru a caracteriza parametrii Stokes pe suprafata scenei. Primul parametru Stokes, S0, reprezinta intensitatea optica totala. Al doilea parametru Stokes, S1,

reprezinta diferenta dintre semnalul optic cu polarizare orizontala si cel cu polarizare verticala. Al treilea

parametru Stokes, S2, reprezinta diferenta dintre semnalul optic inregistrat cu polarizare la 45° si cel cu polarizare la 135°, unghiuri masurate fata de orizontala. Al patrulea parametru Stokes, S3, reprezinta diferenta

dintre semnalul cu polarizare circulara spre stanga fata de cel cu polarizare circulara spre dreapta.

Modelarea structurilor de MTS/MTM pentru componentele de polarizare

Polarizorul liniar

Aproape toti fotodetectorii disponibili in prezent sunt insensibili la polarizare, dar o combinatie de

elemente de polarizare, cum este cea dintre un PL si o LR in sfert de unda (quarter wave plate-QWP), si fotodetectori se dovedeste utila in masurarea starilor de polarizare ale luminii. Un PL specific pentru domeniul

LWIR este facut prin structurarea unei retele de linii metalice paralele sau grila cu perioada in intervalul 200-

1000 nm pe un substrat transparent in LWIR [4]. O componenta QWP destinata partajarii spatiale a unei

imagini de IR este un element cheie intr-un polarimetru imagistic complet [5].

Grilele structurate cu perioade mai mici decat lungimea de unda au un indice de refractie efectiv

dependent de polarizarea radiatiei incidente. Acest efect este cunoscut ca birefringenta indusa de forma si

poate fi aplicat pentru fabricarea de LR. Grilele mentionate sunt capabile de a produce o dispersie a birefringentei adaptabila pentru obtinerea unei retardante acromatice de faza [

6]. Cu MTS sau MTM putem

obtine componente optice pentru aplicatii de camp apropiat si camp indepartat cu rezolutie optica mai buna

decat limita de difractie. Suprafetele optice cu micro- si nanostructuri pot fi evaluate prin diferite metode, astfel incat sa se identifice cele mai promitatoare componente pentru termoviziune de inalta eficienta.

Aplicatiile LWIR cer PL cu pierderi scazute, raport de extinctie mare pe un domeniu spectral larg [7] si

QWP cu anizotropie puternica si transparenta mare, pentru obtinerea unor sisteme compacte, reduse ca

dimensiuni. Componenta QWP este realizata in mod curent prin corodarea adanca sub forma de santuri liniare paralele a unui substrat de Ge, de exemplu, pentru a se obtine o anizotropie remarcabila. O asemenea structura

de QWP realizata pe suprafata este mai eficienta in domeniul LWIR si mai compacta decat la LR obisnuite pe

baza de cristale birefringente. O grila din fire subtiri perfect conductoare suspendate in aer ar fi ideala pentru

un PL, dar nepractica din punct de vedere mecanic. Ar trebui sa alegem un substrat cu indice de refractie scazut pentru a sustine grila metalica si sa tinem cont si de alti parametri: dispersie scazuta, transmisie mare,

rezistenta buna mecanica si la factori de mediu. Multe materiale (KCl, KBr, CsBr, CsI, NaCl) cu transmisie

foarte buna in IR si dispersie scazuta pe domeniu spectral larg sunt solubile in apa. Deci, in conditii de

umiditate s-ar degrada rapid. Prin urmare, am ales sa investigam GaAs ca substrat transparent in domeniul 1,5-18 µm cu indice de refracție n=3.28@10μm pentru PL. O evaluare numerică a transmisiei modurilor TM

si TE a fost facuta pentru diverse perioade spatiale ale grilelor, grosimi de metal, și lungimi de undă folosind

OptiFTDT Designer [8]. Pentru a obtine un polarizor bun, perioada grilei metalice trebuie să fie mai mică

decât lungimea de undă incidenta cu cel puțin un ordin de mărime. Configurația grilei PL este prezentată în

Fig. 1.

Fig. 1 Modelul 3D al grilei metalice pe substrat pentru polarizorul liniar

Lamela retardoare in sfert de unda

In articole publicate anterior s-a demonstrat ca MTM stratificate metal-dielectric (SMDM) sunt transparente si constituie un mediu remarcabil de anizotrop pe un domeniu larg de lungimi de unda [

9].

Componenta QWP este fabricata pe un substrat cu indice de refractie mare pentru obtinerea unei

birefringente puternice. Structura SMDM este schematic reprezentata in partea de jos a Fig. 2. Aceasta consta in straturi alternative de metal (gri) si dielectric sau semiconductor (albastru). Perioada spatiala a SMDM este

mai scurta decat lungimea de unda a radiatiei incidente, astfel incat in modelarea acestui mediu stratificat se

utilizeaza un indice de refractie efectiv [9]. Ne vom focaliza pe cazul in care lumina incidenta cade

perpendicular pe planul xy. In cazul nostru evaluam un mediu SMDM modificat, in care largimea straturilor paralele de Ag este mai ingusta cu 20% la baza (z=d) decat la fata frontala (z=0). Semiconductorul ales pentru

substratul QWP este Ge cu n=4.03@10 µm, transparent in intervalul spectral 2-20 µm. De asemenea, GaSb

dopat cu Te [10

] este adecvat ca substrat transparent in LWIR pentru QWP, pentru ca are un indice mare de refractie n=3,8@10 µm si transparenta in intervalul 2-15 µm. In INCDFM au fost studiate caracteristicile

interfetei semiconductor/aer pentru GaSb nativ, curatat chimic, cu fascicul de ioni sau termic [11

]. Intr-o

lucrare publicata anterior se mentioneaza ca Ag reactioneaza chimic cu Sb la interfata [12

], deci ar trebui luata

in considerare aceasta reactie in modelarea QWP.

Fig. 2 Modelul bidimensional de structura pentru analizorul de stari de polarizare (ASP)

Structura simplificata de ASP este prezentata in Fig. 2 impreuna cu unda transversala rectangulara cu

semilargimea de 5 µm pentru simulare.

x

z

Dezvoltarea metodei/tehnologiei de realizare a MTS/MTM optice micro/nanostructurate Metoda FDTD, o metodă puternica și precisa pentru structuri cu dimensiuni finite, a fost aleasa pentru a

simula și modela PL și QWP integrate în ASP. Într-o publicație anterioară au fost prezentate rezultatele pentru

mai multe metale utilizate în fabricarea grilei pentru PL de IR [7]. S-a constatat că aurul (Au) are

performantele optice preferate pe o regiune spectrala extinsă: MWIR (middle wave infrared) și LWIR. Dar, cautand sa simplificam și sa integram tehnologiile de realizare a LP și QWP cu un singur metal, am descoperit

ca argintul (Ag) are permitivitatea electrica liniara pe cea mai largă gamă de lungimi de undă [13

], iar dintre

metale caracteristicile sale plasmonice sunt cele mai bune [14

]. Nu in ultimul rand, Ag este mai ieftin decat Au. Cel mai simplu sistem polarimetric foloseste un singur canal serial de prelucrare cu LR care se roteste în

raport cu PL și aria detectoare [15

]. Cel mai complex sistem utilizeaza patru canale separate, iar prelucrarea

informatiilor optice se face in paralel [1] prin integrarea a patru ASP (trei polarizoare liniare dispuse in pozitii

rotite cu 90° unul fata de celalalt si unul compus din LR si PL inseriate) pentru fiecare superpixel din aria plan focală [

8]. Un superpixel este format din 4 pixeli vecini ai ariei plan focale. Ultimul sistem are avantajul de a

elimina fluctuațiile temporale între pixelii adiacenți, dar introduce o degradare a semnalului din cauza

efectelor de difracție și interferență între pixeli. Fig. 3 prezintă rezultatele simulării obținute folosind software-ul OptiFDTD pentru propagarea undelor electromagnetice cu λ = 10 µm in PL. Distributiile reprezentate

grafic sunt: (a) partea reală a campului Ey și (b) partea reală a campului Hx.

(a) (b)

Fig. 3 Distributia simulata a campului optic cu λ=10 μm numai prin PL cu programul OptiFDTD. Propagarea

undei este de la stanga spre dreapta. Campurile reprezentate sunt: (a) partea reala a Ey si (b) partea reala a Hx.

PL este pozitionat la z=49 μm.

Se presupune că toate grilele metalice sunt suficient de lungi de-a lungul direcției y, astfel încât se poate

folosi metoda FDTD bidimensională pentru a simplifica simularea. Straturile perfect adaptate [16

] sunt pozitionate paralel cu directia z (Fig.2). Limitele de-a lungul direcției x au fost marcate prin condiții la limită

periodice ca urmare a periodicitatii grilei. Unda plana se propagă perpendicular pe planul grilei. Funcția

dielectrica pentru Ag a fost descrisa prin modelul Lorentz-Drude [17

]. Acest model este pentru cazul dispersiv

cel mai general.

(a) (b)

Fig. 4 Distributia campului optic prin ASP (PL+QWP) simulata cu programul OptiFDTD (PL este la z=45 μm si QWP la z=50 μm). Campul reprezentat este partea reala: (a) pentru Ey si (b) pentru Hx.

Sistemul optic modelat pentru a determina intarzierea de faza a unei QWP difractive cuprinde: o sursă de

IR împreună cu un monocromator, o lentilă de colimare in IR, un PL pentru IR și un iris folosit pentru a se asigura faptul că este iluminata numai QWP. QWP este pe o montura care ii asigura rotația, pentru a permite

măsurarea intensitatii la iesire in functie de poziția sa unghiulară. Dupa QWP sunt plasate un analizor liniar și

o lentilă pentru focalizarea radiatiei pe detectorul de IR. Acest sistem de caracterizare a QWP poate fi modelat

folosind matrici Jones. Pe de altă parte, matricile Mueller sunt adesea folosite pentru sistemele care nu polarizeaza in intregime radiatia. Deși acest lucru este valabil pentru o sursă generală, utilizarea unui prim

polarizor înainte de QWP permite utilizarea in modelare a unei simple matrici Jones.

Ecuatia (1) arata aceasta modelare:

(1)

unde a si b sunt polarizările orizontale și respectiv verticale, Φwp este intarzierea de faza a LR si θ este unghiul de rotatie al LR. Indicii se referă la elementele individuale din sistem: pol pentru polarizor, ana pentru

analizor și wp pentru LR, iar awp si bwp sunt parametrii de diatenuare. În scopul de a modela în mod

corespunzător sistemul, două modificări au fost făcute in ecuația (1). Prima, o rotație a fost adăugata la analizor pentru a compensa o eventuală dezaliniere unghiulara. A doua, o mica modulare sinusoidală a

intensitatii de intrare a compensat dezalinierea laterală a QWP. Deoarece, ieșirile modelului matricei Jones

sunt cantități de câmp, aceste rezultate au fost ridicate la pătrat pentru a oferi o valoare consistentă cu

măsurarile intensității făcute cu detectorul. Intensitatea la ieșirea din sistem este luată la mai multe poziții unghiulare ale QWP. În plus, intensitatea la ieșirea din sistem poate fi măsurată fără analizor si atunci acest

lucru nu ar fi produce nici o schimbare cu rotirea QWP. Totusi, o LR practică poate induce o cantitate

apreciabilă de diatenuare liniara la anumite lungimi de unda. Diatenuatorii liniari au o eficiență de transmisie care este dependentă de polarizarea radiatiei incidente. O tehnica pentru a masura diatenuarea liniară și

spectrele de retardanta ale materialelor de IR în transmisie, compensarea pentru erori sistematice, și utilitatea

calibrarii lamelelor și polarizorilor, este descrisa în [18

] pentru mai multe lungimi de unda din regiunea

spectrala de interes.

Rezultatele modelarii

Distributia optima a campului optic Ey pentru distanta 0 μm intre componentele de polarizare la simularea cu lungimea de unda λ=10 µm (centrala pentru domeniul spectral de interes: 8-12 µm) este aratata in Fig. 5 si

6. In practica, distanta intre cele doua componente este de fapt distanta de lipire, care in mod obisnuit este de

10 μm. Daca aceasta distanta intre componentele ASP creste, atunci apare o usoara modulare sinusoidala a amplitudinii Ey, modulare in intervalul 1.8-2.2 V/m, datorita interferentei rezultate din apropierea grilelor

celor doua componente.

Fig. 5 Sectiuni transversale prin distributia spatiala a campului optic simulat la trecerea prin ASP cu programul OptiFDTD. Distanta dintre fata de intrare a LP si fata de iesire a QWP este 0 pentru aceasta

simulare). (a) Profilul partii reale a campului Ey intr-o sectiune la x=41.2µm. (b) Profilul partii reale a

campului Ey intr-o sectiune la y=0 µm.

Analiza efectuata cu OptiFDTD indica existenta variatiei si in raportul de extinctie, daca distanta de

separare creste intre substratul de Ge si grila metalica de pe substratul de GaAs. Daca utilizam un substrat gol

pentru QWP, atunci raportul de extinctie pentru ASP oscileaza daca lungimea de unda creste. Regiunea in care se propaga unda incidenta contine atat radiatia incidenta, cat si pe cea reflectata.

Totusi, o mica parte reflectata, de cateva procente, afecteaza puternic campul electric incident.

Putem optimiza performantele arhitecturii ASP utilizand straturi antireflex (AR) pe substratul fiecarei componente, pentru a obtine o eficienta sporita de cuplaj si o distributie de camp mai buna.

Frecventa de oscilatie a modularii sinusoidale a amplitudinii Ey scade pe masura ce distanta de separare

intre PL si QWP creste [8]. O acoperire AR pe substratul de Ge aparent reduce oscilatia raportului de extinctie

si pierderile. Aceasta acoperire AR ar trebui realizata pe suprafetele fara grila. Depunerile AR pe suprafetele cu grile metalice nu sunt fezabile, datorita faptului ca acoperirile AR vor modifica caracteristicile optice ale

retelelor. Suplimentar, vitezele de depunere nu pot fi controlate pe peretii verticali si uneori chiar nu se depune

nimic pe acesti pereti. Pe de alta parte, transmisia radiatiei in intervalul spectral 8-12 µm este 55% pentru GaAs si 42% pentru Ge fara acoperiri AR. Pentru a rezolva aceasta situatie se coreleaza parametrii geometrici

ai grilei PL cu distanta pana la QWP. De asemenea, o pierdere suplimentara apare la interfata de iesire a

substratului de Ge datorita reflexiilor Fresnel. Pierderile rezultate in transmisie, de ordinul a 4% pe interfata, pot fi reduse considerabil prin utilizarea de materiale adaptate ca indice de refractie. Transmitanta este usor

mai scazuta in structurile modificate de SMDM pentru QWP, care au grosimea straturilor reduse cu 20% in

partea superioara fata de SMDM cu straturi paralele, dar sunt suprimate pierderile optice suplimentare

mentionate anterior. Se confirma astfel ca SMDM sunt destul de robuste in ceea ce priveste modificarile structurale si candidate puternice pentru LR ultracompacte. Aceste LR ultracompacte pot fi integrate cu alte

componente optice plate, fara aberatii, pe o structura unitara. Aceasta este o tendinta favorizata de

implementarea sistemelor fotonice miniaturizate. Intarzierea de faza simulata Φwp pentru QWP este aratata in Fig. 6 impreuna cu raportul de extinctie Ex/Ey sau TM/TE (raportul dintre modul magnetic transversal, cu

vectorul camp electric perpendicular pe liniile grilei, si modul electric transversal, cu vectorul camp electric

paralel cu liniile grilei) pentru PL. Parametrii geometrici aplicati pentru PL sunt: grosimea substratului D=1.2 μm, perioada grilei p=2 µm, inaltimea liniilor grilei h=250 nm si factorul de umplere de 0.5, in conformitate

cu posibilitatile litografiei optice clasice si din urmatoarele consideratii: proprietatile de polarizare se

imbunatatesc cu cresterea inaltimii grilelor, dar pentru ca regiunea grilei actioneaza ca un material dielectric

pentru radiatia TM, aceeasi grosime crescuta micsoreaza eficienta de transmisie a grilei. Prin combinarea acestor efecte se optimizeaza proprietatile de polarizare impreuna cu grosimile grilelor metalice [7]. Pentru

componentele practice, o mica eroare in factorul de umplere al QWP produce o modificare mare in intarzierea

de faza mai ales la lungimi de unda mai mari. Ca urmare, am ales urmatorii parametrii geometrici pentru QWP: grosimea substratului 1.2μm, raportul grosimilor straturilor alternante Ag/Ge 200/800 nm cu variatia de

20% in largimea straturilor metalice de la varf la baza si un factor de umplere Ag/Ge de 0.8.

Fig.6 Raportul de extinctie pentru PL: Ag/GaAs, D=1.2 μm, h=0.25 μm t=1 μm, p=2μm, decalajul de faza

pentru QWP cu grosimea de 1.2 μm, grosimile Ag/Ge de 200/800 nm.

PL cu linii realizate din Ag are un raport de extinctie foarte bun pe domeniul de lungimi de undă 9.5-11.5

um, acesta chiar depasind 100 pe intervalul 10,5-11.5 um. Rezultatele teoretice pentru decalajul de faza al

QWP se fiteaza cu o linie cu pantă descrescătoare funcție de lungimea de undă, iar valoarea medie este de 90°. Prin combinarea reflexiilor Fresnel cu transmisia simulata a grilei ar trebui sa se obtina curbele de

transmisie reala. Rezultatele analizei prin OptiFTDT a transmisiei sunt reprezentate in Fig. 7(a) pentru TM si

in Fig.7(b) pentru TE.

9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Lungimea de unda (m)

De

ca

laju

l d

e fa

za

(ra

d.)

/2

100

101

102

103

Ra

po

rtul d

e e

xtin

ctie

(TM

/TE

)

PLQWP

9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75T

M (

%)

Lungimea de unda (m)

9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

TE

(%

)

Lungimea de unda (m)

Fig.7(a) Transmisia prin ASP (PL si QWP) pentru TM. Distanta dintre fata de intrare a PL si cea de iesire a

QWP este 0. (b) Transmisia prin ASP pentru TE

Transmisia TM indica ca ASP poate opera pe domeniul 10-12 µm, mai bine pentru lungimi de unda mai

mari. Astfel, in timp de GaAs are o transmisie mai buna, dar cliveaza usor, Ge are cea mai mare densitate

dintre materialele cu transmisie in IR si este foarte popular pentru sistemele care opereaza in domeniul LWIR.

Totusi, Ge prezinta o deriva termica. Cu cat creste temperatura, cu atat creste si absorbtie radiatiei in Ge. Degradarea pronuntata a transmisiei incepe pe la 100°C si continua rapid intre 200°C si 300°C, avand

drept rezultat o posibila defectiune catastrofica a opticii. Valoarea mare a indicelui de refractie pentru Ge este

preferata in proiectarea opticii de IR care altfel ar fi nerealizabila. Iradianta (transmisia TE) din Fig. 7(b) arata o valoare destul de mare, care face necesare acoperirile AR in IR pe suprafetele nestructurate.

Testarea tehnologiei prin realizarea MTS/MTM micro/nanostructurate

Pentru testarea tehnologiei prin realizarea efectiva a MTS/MTM microstructurate s-a solicitat si a fost fabricata la IMT prin litografie optica clasica o masca cu linii de Cr cu latime de 1µm si spatii intre linii de

1µm (deci, factor de umplere 50%), cu aria utila de 25x25 mm2, pe substrat Soda Lyme cu aria totala 5”x5”.

Sistemul de litografie utilizat la IMT este un echipament Heidelberg Instruments Mikrotechnik DWL 66fs de scriere directa cu laser in fotorezist, pentru transferul geometriilor rezultate din proiectare de pe calculator

pe masca de Cr. DWL poate realiza masti de dimensiuni 4” – 6” cu latimea teoretica minima pentru linia de

Cr de 0.6 µm, dimensiunea practica garantata fiind 1 µm. Am solicitat, deci, realizarea mastii la rezolutia maxima.

Fig.8 Masca cu linii de Cr cu latime de 1µm si spatii de 1 µm cu aria utila de 25 x 25 mm

2 pe substrat

Soda Lyme cu aria totala 5”x5”x0.06” realizata la IMT

La INCDFM s-a utilizat apoi o procedura lift-off standard pentru obtinerea MTS microstructurate pt. PL:

- s-a depus cu ajutorul unui spinner la o turatie de 6000 rot/min., atat pe un substrat de Si cat si pe unul de

GaAs, cate un strat de fotorezist pozitiv AZ 5214 E de la Clariant GmbH din Germania. La aceasta turatie

rezulta o grosime de strat de 1,14 µm. Desi este un fotorezist pozitiv, se poate obtine cu el si reversul imaginii

mastii sau imaginea negativa. De fapt, AZ 5214E este aproape exclusiv utilizat in modul revers;

- s-a efectuat un tratament termic la 90°C timp de 1 min. pe o plita termostatata;

- s-a facut expunerea stratului de fotorezist prin masca la o radiatie UV de banda larga: 310 - 420 nm;

- s-a developat stratul de fotorezist expus in AZ-326 MIF timp de 30 s pe o baie de ultrasunete;

- s-a clatit in apa deionizata pentru 1 min.;

- s-a depus un strat de Ag de 250 nm intr-o instalatie de evaporare termica in vid;

- s-au indepartat liniile de fotoresist cu Ag depus pe ele cu remover AZ 100 timp de 30 s pe o baie de

ultrasunete. Au ramas pe substratul semiconductor liniile metalice din Fig.9 vizualizate prin SEM.

(a) (b)

Fig.9 (a) Detalii geometrice obtinute prin SEM ale liniilor de Ag obtinute pe substrat din GaAs pentru PL; (b) La o rezolutie mai buna liniile metalice au de fapt latimea de 800 nm.

Fig.10 Masurarea prin SEM a inaltimii liniilor metalice prin inclinarea probei la 53.5°.

Inaltimea reala este de 250 nm.

II. Dezvoltarea tehnologiei de realizare a MTS/MTM optice micro/nanostructurate. Proiectarea

modelelor functionale de polarizor liniar si lamela retardoare in λ/4 (P1)

Proiectarea polarizorului si lamei retardoare in λ/4 Polarizorii liniari (PL) pentru lungimi de unda mari pot fi realizati prin structurarea la scara nano sau

micrometrica a unei grile metalice pe un suport transparent optic. Lama retardoare (LR) este obtinuta prin

executia unei structuri de microsanturi in materialul din care este realizat substratul.

Principiul folosirii retelelor metalice pentru realizarea PL se bazeaza pe o absorbtie puternic anizotropica a luminii in structura metalica, care are dimensiuni sub lungimea de unda de interes. Campul electric paralel

cu liniile retelei este absorbit, datorita imposibilitatii existentei campului electric in metal, in timp ce campul

electric perpendicular cu liniile retelei suporta o absorbtie mai mica. Din raportul celor doua absorbtii rezulta gradul de polarizare a radiatiei emergente. La baza proiectarii polarizorului sta conditia ca perioada retelei sa

fie mai mica cu cel putin un ordin de marime decat lungimea de unda de interes [8].

In Fig 1 este prezentata schematic componenta optica de polarizare pe care ne-am propus sa o realizam in

vederea construirii ASP. Materialele cel mai des utilizate pentru realizarea suprafetelor structurate si obtinerea

fenomenului de polarizare sunt aurul (Au), aluminiul (Al), cuprul (Cu) si cromul (Cr) [7]. In cadrul acestui

proiect s-a decis ca punerea la punct a tehnologiei de realizare a retelei metalice sa se faca, intr-o prima etapa, prin structurarea unui strat de Cr, utilizat si la realizarea mastilor de fotolitografie. Ulterior, tehnologia va fi

adaptata pentru Al. Elementele structurale ale PL proiectat la ProOptica pentru IR sunt urmatoarele: substrat

CaF2 (n=1,3@λ= 10µm), perioada retelei: P = 1,6 µm, latimea benzii de metal: w1 = 0,8 µm, largimea

intervalului liber: w2 = 0,8 µm, inaltimea benzii de metal: d = 0,4 µm.

Fig. 11 Reprezentarea grafica a structurii proiectate pentru polarizor.

In proiectarea LR in λ/4 necesara pentru realizarea unui polarimetru integrat, vom obtine birefringenta cu ajutorul unei structuri stratificate, ceea ce va genera o intarziere de faza, dar si un fenomen de dispersie

asociat. Cu ajutorul teoriei mediului efectiv (EMT) [19, 20

] se poate modela o structura cu perioada mai mica

decat lungimea de unda (Fig.2), ca si cum ar fi un strat subtire avand un indice de refractie efectiv, determinat de materialele din care este realizata reteaua, precum si de starea de polarizare a luminii incidente.

Fig. 12 Aproximarea structurii retelei cu un strat subtire avand indice de refractive efectiv, dependent de

polarizarea radiatiei incidente [9].

Prin formulele (2) sunt descrisi cei doi indici efectivi ai materialului, in functie de starea de polarizare:

(2) unde: TE = modul transversal electric, TM = modul transversal magnetic.

Intr-o abordare mai complexa, prin intermediul ecuatiilor lui Rytov, cei doi indici de refractive efectivi au urmatoarele expresii:

(3) Folosind ecuatiile (3) pentru determinarea indicelui de refractie, s-au identificat posibile materiale

pentru realizarea retelei, in vederea minimizarii divergentei retardantelor de faza, plecand de la intervalul

spectral de interes (8 – 12 µm). Astfel, s-a evidentiat faptul ca materialul utilizat trebuie sa aiba indicele de refractie cat mai mare, pentru a se obtine o birefringenta mare cu o retea avand santurile cu adancimi nu foarte

mari, fezabile din punct de vedere al executiei. Solutia gasita are urmatorii parametri conform Fig. 3: substrat

Ge (n = 4, λ = 10 µm), perioada retelei: P = 1,86 µm, largimea santului: w = 0,37 µm, adancinea santului: d =

3,5 µm.

Fig. 13 Reprezentarea grafica a structurii proiectate pentru lama retardoare

Realizarea structurii Din cauza costurilor ridicate ale materialelor optice transparente in domeniul spectral de interes (8 –

12µm), dezvoltarea tehnologiei de realizare a retelei metalice s-a facut pe suport din sticla optica BK7. In etapa urmatoare a proiectului se vor folosi pentru substrat materiale transparente in LWIR.

In cadrul etapei a fost testata urmatoarea metoda de fotolitografie clasica pentru structurarea suprafetei

optice: - Componenta optica este prelucrata pentru obtinerea unei suprafete cu o rugozitate in jurul valorii de 10 –

15 nm (polisare optica);

- Se depune stratul de metal prin tehnologia Physical Vapor Deposition (PVD), avand grosimea dorita; - Se depune stratul de fotorezist prin centrifugare;

- Fotorezistul este expus, in vederea polimerizarii, la o radiatie UV, printr-o masca optica, astfel incat

polimerizarea sa se produca numai pe pattern-ul dorit;

- Se indeparteaza fotorezistul nepolimerizat; - Prin atac chimic, se indeparteaza si stratul de Cr ramas neprotejat de fotorezist.

In urma acestei ultime operatiuni rezulta componenta optica, avand pattern-ul dorit pe suprafata activa

optic. In ceea ce priveste metoda lift-off, aceasta va fi perfectionata in etapa urmatoare a proiectului, dupa achizitia unui fotorezist superior, dedicat acestei metode.

Rezultate In Fig. 14 este prezentata componenta obtinuta in laboratorul de fotolitografie de la ProOptica. Este o

structura de Cr, depusa pe un suport din sticla BK7, avand perioada de 1,6µm. Reteaua este compusa din doua

benzi cu latimi egale (banda de Cr + banda libera), rezultand astfel un factor de umplere de 50%.

Fig. 4 Reteaua metalica obtinuta pe suport de sticla optica BK7

In Fig. 15 sunt prezentate un detalii ale structurii, cu punerea in evidenta a dimensiunilor benzilor

componente.

Fig. 15 Imagini obtinute la microscop (marire ob. 40X, respectiv 20X)

De asemenea, proprietatile optice au fost investigate prin analiza unei figuri de difractie Fig. 16 obtinute prin iluminarea retelei cu un fascicul laser He-Ne (λ = 632,8 nm). Informatiile obtinute au confirmat

exactitatea evaluarii prin metoda microscopica.

Fig. 16 Montajul realizat si figura de difractie obtinuta la distanta L = 245 mm de retea (pas caroiaj = 5mm)

Pasul retelei:

L

dkP

arctansin

1

(4)

Din parametrii montajului si masuratorile efectuate cu valorile: λ=0,633 µm, L=245mm, dist.imag. d=102,5 mm, ordin k=1 a rezultat pasul retelei P1=0,00164 mm, adica 1,64 µm.

Obs: Pe langa reteaua de baza, pe directia perpendiculara, se observa o structurare in a doua retea cu pasul de

6,6 µm. Aceasta retea secundara poate fi observata si in imaginea microscopica din Fig.15. Cu elementele

pentru determinarea pasului retelei secundare: λ=0,633 µm, L=245 mm, dist. imag.=48 mm, ordin k= 2 rezulta pasul P2=0.006583 mm.

III. Elaborarea de algoritmi de modelare polarimetrica si integrare pentru analizorul de stari de

polarizare (ASP) acromat (P2)

Algoritmul standard de obtinere a imaginilor Stokes

Activitile au fost orientate catre studiul metodelor de extragere a informatiilor legate de acea parte din

radiatia receptionata care are un anumit grad de polarizare. In acest studiu a fost inclusa si activitatea de scoatere in evidenta a problemelor care pot apare in rezolvarea tehnica a problemelor extragerii acestei

informatii. Din acest motiv, experimentarea (in domeniul vizibil deocamdata) a constituit o parte importanta a

activitatii. Prima etapa in realizarea unui sistem optic formator de imagine (SOFI) polarimetric

presupune testarea capabilitatii de obtinere a uneia sau mai multor imagini Stokes (maxim 4

incluzand si imaginea standard – intensitatea). Modul in care aceasta informatie suplimentara este

folosita poate constitui o problema tipica de fuziune de date sau in acest caz de imagini. Principalul

efort se indreapta in aceasta etapa catre optimizarea obtinerii informatiei despre radiatia polarizata de

la obiect. Avand in vedere diferenta foarte mare de costuri pentru experimentarea in LWIR

comparativ cu domeniul vizibil (VIS) s-a hotarat ca in actuala etapa a proiectului sa se lucreze in

domeniul VIS. Imaginile Stokes se pot obtine prin realizarea unui numar de sase imagini (sase masuratori)

asa cum prezentat in [21

]:

yx

yx

yx

yx

LHCRHC EE

EE

EE

EE

II

II

II

II

V

U

Q

I

S

Im

Re13545

900

90022

22

(4)

Sistemul de masurare poate fi utilizat intr-o forma simplificata folosind numai PL, caz in care se pot

determina numai trei din cei patru parametri Stokes, fara informatiile de polarizare circulara, prin inregistrarea

imaginilor in patru pozitii ale polarizorului corespunzatoare unghiurilor de {0°,45°, 90°, 135°}. Asa cum este precizat in [

22] si [

23] se folosesc cateva marimi compuse ce utilizeaza parametrii Stokes , si care ofera o mai

buna reprezentare a starii de polarizare. Acestea sunt: unghiul de polarizare, gradul de polarizare liniara

(DOLP – Degree Of Linear Polarisation) si gradul de polarizare circulara (DOCP - Degree Of Circular Polarisation).

I

VDOCP

I

UQDOLP

Q

Uarctg

22

2

1

(5)

Experimente in domeniul vizibil in configuratia simplificata Au fost realizate experimente conform cu modelul simplificat descris anterior, in care a fost folosit un

element de polarizare de la Thorlabs, pentru achizitia de seturi de 4 imagini din care s-au determinat imaginile

Stokes corespunzatoare parametrilor (I,Q,U) din relatia (4). Achizitia unui set de imagini s-a facut prin rotirea polarizorului in patru pozitii situate la 45 ° intre ele. Intervalul de timp necesar pentru rotirea polarizorului si

achizitia imaginilor a fost de minim 30 secunde. Setul rezultat de imagini este prezentat in Fig.17.

(a) (b)

(c)

Fig 17 (a) Imaginea cu PL la 0°, (b) Imaginea DOLP obtinuta in urma prelucrarii celor 3 imagini Stokes (I,Q,U) obtinute conform cu ecuatia (5), (c) Imaginea DOLP obtinuta in urma prelucrarii celor 2 imagini

Stokes (Q,U) obtinute conform cu ecuatia (5).

Una din caracteristicile imaginilor DOLP realizate este prezenta unor linii de contur pregnante. Aceasta a

condus la o analiza atenta a mai multor seturi de fotografii. Analizand rezultatele din imaginile DOLP si din

masurarile cu PL a reiesit ca imaginile obtinute sunt grav afectate de erorile unghiului intrare-iesire ale PL

folosit ( „Garbage IN- Garbage OUT”). O prima concluzie este ca unghiul de intrare – iesire al PL care se roteste trebuie sa fie mai mic decat unghiul:

Obiectiv

pixel

f

darctg

Pentru experiment a fost folosit un obiectiv cu focala 9 mm si dimensiunea unui pixel a fost estimata la 5µm. Asta impune un unghi de intrare-iesire din polarizor mai mic de 2 min. de arc. Firma Thorlabs nu indica

in specificatie unghiul de intrare – iesire pentru polarizorii standard, iar atunci cand au fost intrebati au dat o

valoare de 2 min. de arc. Din masurari insa au rezultat valori de pana la 10 min. de arc. Trebuie subliniat faptul ca experimentul s-a facut cu un obiectiv cu o focala mica (9 mm), dar tinta o reprezinta sistemele de

observare care folosesc obiective cu distante focale de 200-400 mm. Aceasta ar impune conditii dure pentru

calitatea elementelor de polarizare in ceea ce priveste unghiul de intrare-iesire de ordinul sec. de arc. Timpul relativ mare de realizare a fotografiilor (minim 30 secunde) a dus la diferente de iluminare care au

fost inregistrate ca diferente de intensitate. Aceasta problema ar putea sa fie inlaturata realizand fotografiile

intr-o incapere cu iluminare controlata (constanta).

Pregatiri pentru experimentari in domeniul vizibil in configuratia complexa Avand in vedere problemele identificate in aceasta prima abordare s-au urmarit:

- eliminarea problemelor legate de rotirea mecanica a PL;

- inlaturarea riscurilor de deplasare relativ necontrolata a PL sau a camerei de achizitie imagini;

- reducerea semnificativa a timpului in care se achizitioneaza setul de imagini. Aceste cerinte se pot satisface prin introducerea in fata PL a unei lamele retardoare (LR) controlata

electronic. In acest scop a fost achizitionat de la firma Thorlabs o lamela retardoare cu faza variabila, tip

LCC1221-A. Pentru determinarea parametrilor Stokes sunt necesare patru determinari ale intensitatii radiatiei, corespunzatoare celor patru unghiuri de rotatie ale elementului analizor (PL), respectiv pentu unghiurile 0°,

45°, 90° si 135°, deci unor defazaje corespunzatoare la: 0, λ/8, λ/4, 3λ/ 8, adica intr-un domeniu de diferente

de faza de la 0 λ la 0.375 λ. Componenta LCC1221-A introduce urmatoarele domenii de defazaje pentru tensiuni de comanda de la [0V, 5V]: 1.32 λ÷ 0.16 λ pentru λ = 405nm si 0.07 λ÷ 0.74 λ pentru λ = 635nm.

In concluzie , componenta LCC1221-A este potrivita pentru obtinerea valorilor de defazaj necesare.

Trebuie notata si dependenta de temperatura a intarzierii de faza introduse de LCC1221-A (Fig.18).

Fig.18 Dependenta intarzierii introduse de LCC1221-A in functie de tensiunea de comanda si temperatura

Valorile din Fig.18 nu sunt suficiente pentru o caracterizare a modului cum actioneaza lamela LCC1221-

A la radiatia 532 nm. Pentru a rezolva aceasta problema s-a realizat un montaj de testare (Fig.19).

Fig.19 Montajul folosit pentru caracterizarea lamelei cu faza variabila LCC1221-A la radiatia 532nm

1 – Laser la 532 nm 2 – Polarizor Thorlabs LPVISE100-A in montura de rotatie CLR1/M

3 – Lama de intarziere cu cristale lichide LCC1221-A in montura de rotatie RSP2/M

4 - Polarizor Thorlabs LPVISE100-A in montura de rotatie CLR1/M

5 – Cap radiometric PD-300 BB OPHIR 6- Smart Head to USB interface – OPHIR

7- Driver pentru LCC1221-A ( de la Institutul de Biodinamica

8 – Calculator cu sofware pentru controlul 6 si 7

Deoarece LCC1221-A are o caracteristica atat de dependenta de lungimea de unda (Fig.20), s-a facut o

analiza a modului in care se comporta sistemul pe un domeniu mai larg de lungimi de unda cu montajul din Fig.21.

Fig 20. Informatia data de Thorlabs pentru transmisia spectrala a lamei de faza LCC1221-A

Montajul folosit pentru caracterizarea spectrala a lamei de faza LCC1221-A impreuna cu doi polarizori de

tip LPVISE100-A asezati incrucisati (Fig.21)

Fig.21 Montajul pentru caracterizarea spectrala detaliata a a lamei de faza LCC1221-A impreuna cu doi polarizori de tip LPVISE100-A

1 - Lampa cu halogen (IOR)

2 – Cablu de fibrte optice de iluminare 3 – Polarizor Thorlabs LPVISE100-A in montura de rotatie CLR1/M

4 -– Lama de intarziere cu cristale lichide LCC1221-A in montura de rotatie RSP2/M

5 - Polarizor Thorlabs LPVISE100-A 6 – Cablu cu fibra optica Ocean Optics

7 – Minispectrometru HR 2000+ Ocean Optics

8- - Driver pentru LCC1221-A ( de la Institutul de Biodinamica

Fig. 22 Spectrul relativ al sursei de lumina folosite (util pentru masuratori intre 450nm si 850nm) si semnalele

de la sursa in diferite situatii de comanda ale LCC1221-A

Fig.23 Transmisia relativa a ansamblului format de lama de faza LCC1221-A si a celor doi polarizori ( In zonele unde semnalul sursei a fost slab s-au obtinut eronat transmisii supraunitare) si transmisia relativa a

ansamblului format de lama de faza LCC1221-A si a celor doi polarizori pentru lungimea de unda de 532nm

functia de comanda lamei de faza.

Proiectarea si realizarea unui model experimental de polarimetru imagistic Pentru experimentarea algoritmilor de obtinere a imaginilor Stokes, pana la realizarea unui sistem care sa

lucreze in domeniul spectral LWIR, s-a hotarat experimentarea in domeniul VIS. In acest scop au fost facute achizitiile care sa permita acest lucru, a fost proiectat si realizat un model experimental al unui dispozitiv de

tip polarimetru imagistic, care sa serveasca scopului de a evidentia problemele ce ar putea sa apara la

realizarea unui instrument similar pentru domeniul LWIR. Modelul experimental poate fi vazuta in Fig.24.

Fig. 24 Modelul experimental de polarimetru imagistic (realizare fizica)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30

Series1

1 – Lama de intarziere cu cristale lichide LCC1221-A

2 - Montura de rotatie RSP2/M 3 - Polarizor Thorlabs LPVISE100-A

4 - Camera color CMOS VISION

5 – Cablu BNC de comunicatie cu driverul pentru LCC1221-A

6 - Cablu BNC de comunicatie cu placa de achizitie imagini Sensoray S2255 In cadrul proiectului a fost necesara realizarea unei aplicatii soft pentru comanda lamelei de intarziere cu

cristale lichide LCC1221-A

Fig. 25 Interfata cu utilizatorul a aplicatiei soft pentru comada LR cu cristale lichide LCC1221-A folosind

driver-ul de la Institutul de Biodinamica.

Algoritmul de prelucrare a imaginilor achizitionate cu polarimetrul imagistic

Modelul matematic Polarizorul (PL) va fi considerat cu axa sa dupa directia X si va avea matricea Muller data de ecuatia 6:

0000

000

0001

0011

2

12

2S

(6)

Lamela retardoare (LR) considerata in cea mai generala pozitie si avand un defazaj δ este descrisa de urmatoarea matrice Muller:

22

2

2

2

2

222

222

2

2

2

2

0

10

10

0001

CS

CCSSC

SSCSC

C2 = cos (2θ) S2 = sin (2θ)

β = cos(δ)

μ = sin(δ)

(7)

Matricea Muller a ansamblului format de LR si PL fix va fi descrisa de ecuatia (8)

0000

0000

11

11

2

1

0

10

10

0001

0000

0000

0011

0011

2

1

222

2

2

2

2

222

2

2

2

2

22

2

2

2

2

222

222

2

2

2

2

SSCSC

SSCSC

CS

CCSSC

SSCSC

(8)

Vectorul Stokes al radiatiei emergente din sistem va fi:

0

0

1

1

0000

0000

11

11

2

1

'

'

'

'

222

2

2

2

2

222

2

2

2

2

222

2

2

2

2

222

2

2

2

2

USPSCQSCI

USPSCQSCI

U

P

Q

I

SSCSC

SSCSC

U

P

Q

I

(9)

Se observa ca la iesire se obtine un fascicul liniar polarizat dupa directia X a carui intensitate este functie

de parametrii Stokes ai fasciculului de la intrare. Se poate presupune ca valorile defazajului sunt diferite pentru 4 situatii alese si ca nu se schimba nimic in transmisia LR in acest timp. Atunci se obtine urmatorul

sistem de ecuatii in care necunoscuta este vectorul Stokes de la intrare:

4

3

2

1

424224

2

2

2

2

323223

2

2

2

2

222222

2

2

2

2

121221

2

2

2

2

11

11

11

11

I

I

I

I

U

P

Q

I

M

U

P

Q

I

SSCSC

SSCSC

SSCSC

SSCSC

(10)

In cazul in care matricea M este inversabila, si prin alegerea defazajelor acest lucru este posibil, atunci

sistemul de mai sus poate fi rezolvat:

4

3

2

1

424224

2

2

2

2

323223

2

2

2

2

222222

2

2

2

2

121221

2

2

2

2

1

11

11

11

11

I

I

I

I

SSCSC

SSCSC

SSCSC

SSCSC

M

U

P

Q

I

(11)

Concluzii Proiectarea cu ajutorul OptiFTDT a unui dispozitiv ASP a fost efectuata pentru domeniul LWIR. Un PL și

o QWP difractiva bazate pe grile de Ag cu perioada sub lungimea de unda au fost modelate pe substrat de

GaAs, respectiv substrat de Ge. Pentru PL, rapoarte de extincție mai mare de 100:1 s-au obținut pentru

lungimi de undă de 10.5-11.5 um. QWP nu este acromatica, deoarece decalajul de faza scade aproape liniar cu lungimea de undă.

Utilizarea modulului software OptiFTDT Analyzer a pus in evidenta o transmisie buna prin ansamblul

ASP: PL si QWP fără acoperiri AR, de 65±5% pentru modul TM, pe domeniul spectral 10-11.5 μm. Cu toate acestea, acoperirile AR sunt necesare pentru reducerea iradianței.

Rezultatele de la analiza ASP integrat indică faptul că ansamblul realizat din PL și QWP, fiecare

componentă fiind fabricata pe substrat propriu și apoi suprapuse, este prea sensibil la interferente. Aceste interferente sunt produse prin difracția pe structurile periodice definite de grilele de pe PL și QWP. Lumina

difractata se imprastie în câmp indepartat pe pixelii adiacenti ai ariei detectoare. Acest lucru ar putea duce la

detectia unei tinte false în imaginea polarimetrică. O abordare integrată va oferi insa o alternativă mai bună

fata de cazul fara acoperiri AR între componente IR de polarizare. In acest caz, grila pentru PL ar putea fi depusa pe substratul QWP ca parte a procesului de fabricație a dispozitivului ASP. QWP ar trebui să fie

fabricata pe propriul substrat și aliniata cu grila de la PL. ASP-ul integrat ar trebui să aibă acoperiri AR pe

ambele suprafețe exterioare. Partea de intrare a QWP este aproape plata, deoarece argintul este depozitat în santurile din substrat până la suprafața frontala a QWP. Acoperirea AR pentru LWIR ar putea fi depusa între

liniile metalice ale PL direct pe substrat numai pentru aplicații care necesită performanțe maxime.

Testarea tehnologiei de realizare a MTS microstructurate pentru componente de polarizare, respectiv PL,

a fost posibila prin realizarea practica a unei masti de fotolitografie si utilizarea tehnologiei lift-off. Pe

substraturi de GaAs si Si s-au obtinut grile de Ag cu urmatorii parametri geometrici: latime 800 nm, inaltime

250 nm, spatii intre linii de 1203 nm. In conformitate cu planul de realizare al proiectului, in cadrul acestei etape s-a realizat proiectarea celor

doua componente ale ASP si s-au pus bazele tehnologice de realizare a acestora la partenerul ProOptica S.A.

Astfel, au fost create premisele pentru ca in etapa urmatoare sa se atinga obiectivul principal al proiectului

si anume „Realizarea, caracterizarea, experimentarea si optimizarea componentelor de polarizare”. Realizarile acestei etape in cadrulla IOEL S.A. pot fi enumerate dupa cum urmeaza:

- A fost elaborat algoritmul de prelucrare a imaginilor cu o lamela retardoare si un polarizor liniar;

-S-a proiectat si realizat un model experimental de dispozitiv polarimetru imagistic in VIS; -S-au achizitionat LR cu cristale lichide LCC1221-A, polarizori, monturi pentru experimente in VIS si

aplicatii MatLab pentru prelucrarea imaginilor;

-S-au efectuat experimente de achizitie de imagini in VIS cu lumina polarizata dupa schema simplificata (fara considerarea luminii circular polarizate);

-S-au prelucrat imaginile si s-au tras concluzii privind problemele componentelor de polarizare cu rotatie

si timpii de achizitie a imaginilor mai mici de doua secunde pentru implementarea algorimului descris.

Obiectivele etapei au fost atinse in intregime si in acelasi timp au fost evidentiate probleme pe care o abordare pragmatica, orientata catre un produs competitiv pe piata, trebuie sa le ia in considerare.

Rezultate Depunerea unei propuneri de proiect care dezvolta directiile de cercetare incepute in acest proiect:

Call: H2020-FETOPEN-2014-2015-RIA, topic: FETOPEN-RIA-2014-2015, type of action: RIA,

proposal number: 713123 (30 septembrie 2015), „New type of flat optics with electrically controlled optical properties by surface structure based on low-loss plasmonic materials”, proposal acronym: NEWMONICS.

Metasuprafete (MTS) micro/nanostructurate obtinute pe Si, GaAs si respectiv BK7 pentru polarizori

liniari.

O cerere de brevet, o lucrarea la o conferinta internationala si doua articole in reviste cotate ISI.

Modul de diseminare a rezultatelor etapei a doua:

1. Cerere de brevet A/00050/23.01.2015: “Structură de superlentilă electrooptică realizată cu ghid plasmonic

micro- sau nanostructurat pentru imagistica cu rezoluţie sub limita de difractie”, autori: C. Cotirlan-

Simioniuc, A.S. Manea, C. Logofatu. Articole cu rezultatele modelarii MTS/MTM micro/nanostructurate dispersive pe GaAs, Si, GaSb:

2. Lucrare prezentata la IBWAP, 2-4 iulie 2015, Constanta: “FTDT investigations for fabrication, A.S. Manea,

R.V. Ghita, C. Logofatu; the sub-wavelength metal wire-grid polarizer, quarter waveplate and superlens”, autori: C. Cotirlan-Simioniuc 3. Articol trimis spre publicare: “FTDT investigations in IR range for the fabrication of sub-wavelength metal

wire-grid polarizer and quarter waveplate”, C. Cotirlan-Simioniuc, C. Logofatu, G. Iordache, A. Rizea, D.V.

Ursu, in J. Optoelectron. Adv. Mater. (2015);

4. Articol acceptat la publicare: „Aspects of native oxides etching on n-GaSb(100) surface”, C.

Cotirlan-Simioniuc, R.V. Ghita, C.C. Negrila, C. Logofatu, F. Frumosu, G. A. Lungu, Appl. Surf.

Sci., doi: 10.1016/j.apsusc.2015.11.181 (2015). Site web: http://www.infim.ro/ro/projects/noi-abordari-realizarea-componentelor-de-polarizare-ultracompacte-domeniul-infrarosu-pent-0

[1] J. S. Tyo, D. L. Goldstein, D. B. Chenault, J. A. Shaw, Appl. Opt. 45(22), 5453 (2006).

[2] K. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media”,

IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-14 (3), 302-307 (1966).

[3] M. Sadiku, “Numerical techniques in electromagnetics”, 2nd Ed., CRC Press, 2001.

[4] Z. Wu, P. E. Powers, A. M. Sarangan, Q. Zhan, Opt. Lett. 33(15), 1653 (2008).

[5] K. P. Gurton, R. Dahmani, G. Videen, US Army Research Laboratory Report, ARL-TR-3240 (2004). [6] M. W. Kudenov, E. L. Dereniak, L. Pezzaniti, G. R. Gerhart, Proc. SPIE 6972, 69720K (2008).

[7] W. Guo, Z. Li, H. Gao, L. Xia, L. Shi, Q. Deng, C. Du, Proc. of SPIE Vol. 8759 87593I-1 (2013).

[8] S. A. Kemme, A. A. Cruz-Cabrera, R. R. Boye, T. Carter, S. Samora, C. Alford, J. R. Wendt, G. A. Vawter, J. L.

Smith, 2006, Sandia Report SAND2006-6889.

[9] M. Iwanaga, Opt. Lett. 32, 1314 (2007).

[10] R. Pino, Y. Ko, P. S. Dutta, Enhancement of infrared transmission in GaSb bulk crystals by carrier compensation, J.

Appl. Phys., Vol. 96, No. 2, 1064 (2004).

[11] C. Cotirlan-Simioniuc, R. V. Ghita, C. C. Negrila, C. Logofatu, F. Frumosu, G. A. Lungu, Aspects of native oxides

etching on n-GaSb(100) surface, Applied Surface Science, doi: 10.1016/j.apsusc.2015.11.181.

[12] P. S. Dutta, H. L. Bhat, Vikram Kumar, J. Appl. Phys., 81( 9), 5821 (1997).

[13] OptiFDTD Material Library, Finite Difference Time Domain Photonics Simulation Software, Optiwave Co. (2008).

[14] G. Naik, A. Boltasseva, SPIE Newsroom, doi: 10.1117/2.1201201.004077 (2012).

[15] J. Scott Tyo, Bradley M. Ratliff, James K. Boger, Wiley T. Black, David L. Bowers, Matthew P. Fetrow, Opt. Exp.,

15(23), 15161 (2007).

[16] J. P. Beranger., J. Comput. Phys. 114, 185 (1994).

[17] A. D. Rakic, A. B. Djurisic, J. M. Elazar, M. L. Majewski., Appl. Opt. 37, 5271 (1998).

[18] D. B. Chenault, R. A. Chipman, Appl. Opt. 32(19), 3513-9 (1993).

[19

] S. M. Rytov, “Electromagnetic properties of a finely stratified medium,” Sov. Phys. JETP, 2, 466 (1956).

[20

] C. W. Haggans, L. Li and R. K. Kostuk, “Effective-medium theory of zeroth-order lamellar gratings in conical

mountings,” J. Opt. Soc. Am. A, 10(10), 2217 (1993).

[21] H. G. Berry, G. Gabrielse, A. E. Livingston, “Measurement of the Stokes parameters of light”.

[22] J. Scott Tyo, Dennis L. Goldstein, David B. Chenault, and Joseph A. Shaw, “Review of passive imaging polarimetry

for remote sensing applications”, 45(22), Applied Optics (2006).

[23] M. Vedel, S. Breugnota, N. Lechocinski, “Full Stokes polarization camera” aBossa Nova Technologies, 606 Venice Blvd Suite B, Venice, CA, USA 90291.