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基于金属纳米光栅的集成偏振导航传感器研究

【摘要】:偏振光导航是目前发展的一种新型导航技术,具有不受人为干扰、无累积误差等优点,已成为国内外研究的一个热点。目前偏振光导航传感器样机中使用的偏振光敏感单元大多是由多个不同偏振敏感方向的偏振片及光电探测器组成。这些分立器件带来角度安装误差,并有体积大、重量重等缺点,在航天航空应用领域受到限制。本文主要研究基于金属纳米光栅的集成偏振导航传感器。金属纳米光栅偏振器具有体积小、重量轻、易与其他器件集成等优点,但对于制作多方向的金属纳米光栅阵列以及纳米光栅与光电探测器的集成工艺尚存在丞待解决的关键技术问题。本论文将首先研究亚波长金属光栅的计算理论及透射机理,然后研究其加工工艺以及与光电探测器的集成工艺;最后制作集成偏振导航传感器,并进行相关测试。本论文首先研究了亚波长金属光栅的计算及分析方法。研究了计算亚波长结构衍射效率的矢量衍射理论-严格耦合波理论。以单层亚波长金属光栅为例对衍射效率进行计算,并进一步研究了亚波长金属光栅偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射影响的物理机制。借助等效介质理论和法布里珀罗共振理论定性及定量的解释了在优化设计单层亚波长金属光栅时,金属材料、光栅占空比、光栅高度及光栅面型对偏振性能的影响机理。其次对加工亚波长光栅的紫外热纳米压印工艺进行研究。提出了一种制作垂直/倾斜纳米阵列结构的纳米压印工艺。通过调整紫外热纳米压印工艺中的曝光时间来调节压印胶机械强度,脱模后能得到稳定的垂直或倾斜纳米阵列结构,通过后续补充曝光的措施使得压印胶充分固化、不发生再次变形。研究了垂直热蒸镀工艺并利用垂直光栅结构研究了双层金属光栅的制作工艺。利用纳米压印工艺将六个不同方向的双层金属光栅偏振器集成制作在同一聚碳酸酯基底上,搭建了基于多方向双层金属光栅偏振滤光片的偏振导航传感器样机。对偏振光导航传感器的初步集成进行了研究并测试了传感器样机的测角精度,测试的原始误差在±1°以内,经补偿后得到了±0.2°以内的测角误差。最后研究了多方向金属纳米光栅偏振器阵列与光电探测器的集成工艺。基于纳米压印工艺和热蒸镀工艺研究了多方向的双层金属光栅偏振器与光电探测器的集成工艺,基于纳米压印工艺及干法刻蚀工艺研究了多方向的单层金属光栅与光电探测器的集成工艺。制作了两种集成偏振导航传感器,测得的集成偏振导航传感器的测角原始误差均小于±0.8°,经补偿后均小于±0.1°。

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