集成THz探测器及其近场成像方法研究

Terahertz (THz) near-field imaging techniques offer intriguing application possibilities in engineering, biomedicine and quantum information. To realize THz near-field imaging and high spatial resolution, the diffraction limit has to be broken through. The superlens, based on left-handed materials (LHMs), can overcome the diffraction limit and is an ideal device for THz near-field imaging. In this project, we aim at developing an integrated THz detector and near-field imaging method based on the theory of super focusing and uncooled bimaterial microcantilever focal plane array (FPA). We will realize an integrated THz detector functioned with real-time capturing and near-field imaging by studying the physical theories and methodologies of THz propagation in free space, super focusing and coupling enhancement of THz field, investigating the design and fabrication of THz superlens and broadband metamaterial absorber, the key technologies in high resolution THz FPA and the wafer-level integration of THz detector and focusing component. This work will break the limitation of the existing photonic and electric THz detectors, and we anticipate the spatial resolution of the superlens will be ≤30μm, the pixel number of the FPA will be 256x256, and the frame rate will be ≥30Hz.

THz近场显微探测技术在工程技术、生物医学、量子信息等领域具有广阔的应用前景，突破衍射极限是提高THz成像系统的空间分辨率、实现近场探测目前面临的主要问题。基于左手媒介材料制备的超透镜可以同时聚焦传输波和倏逝波，是突破衍射极限的理想手段。本项目基于超透镜和MEMS非制冷焦平面阵列技术(FPA)开展一种集成式THz探测器及其近场成像的方法研究，通过解决THz场的超聚焦、自由空间的高效传输和耦合增强等关键科学问题，研究高分辨率超透镜和宽带超材料吸收体的设计理论和制备方法、高分辨率THz FPA的设计和关键加工技术、THz FPA与超聚焦耦合元件的圆片级集成等技术，突破现有电子学和光子学THz探测技术的局限性，制备出高分辨率的集成式THz探测器，并探索THz的近场成像技术。预期探测器工作频段1-5THz；超透镜成像分辨率小于30微米；焦平面阵列256x256；帧频大于30Hz。

THz近场成像技术在工程技术、生物医学、量子信息等领域具有广泛的应用前景，为了提高THz成像系统的空间分辨率，项目开展了近场/远场超表面透镜、基于超材料技术的超宽带吸收体、THz焦平面阵列及其成像等技术研究，完成了项目提出的研究任务，基本实现了预期目标，具体包括：1、首先研究了基于线型超材料的THz近场超透镜的设计理论与制备工艺，设计制备出线型超材料THz近场超透镜，在0.95THz~1.05THz下测试得到近场超透镜可以有效分辨线宽为125um的金属图形，实现了超分辨成像。2、设计开发出透射式、反射式单焦点和多焦点THz超表面透镜，通过调节谐振子的尺寸实现了对THz相位的 2π调控；对计算出的透镜相位分布进行量化，在此基础上设计制备出THz超表面透镜，测试得到反射式超表面透镜对THz的聚焦效率达到81.3%，介质超表面透镜对THz的聚焦效率为24%，并实现单焦点和多焦点成像。3、通过将平面复合超材料吸收立体叠加，设计了复合多个谐振子的超宽带吸收结构，利用1/4波长厚度介质层引入的位于中频段的Salisbury屏吸收峰有效连接下层超材料吸收体的高频段吸收带和上层超材料吸收体的低频段吸收带，有效扩展吸收带宽，测试制备完成的超宽带吸收体在吸收率超过50%时的带宽达到4.5THz。4、通过集成Ti加热电阻和超材料谐振子到双材料微悬臂梁的热吸收面上，提出了一种电热可调超材料吸收体，并开发出可调超材料吸收体制备工艺，测试得到器件的对吸收率的调制深度达到28.1%，热响应度为2.41mm/W。5、通过在微悬臂梁像元正面制备超材料谐振子结构，将SiNx结构层作为MA的介质层，金属镜面作为MA的地线层，设计了一款集成THz 超材料吸收体的微悬臂梁式THz FPA，并开发出一套利用聚酰亚胺作为牺牲层的THz FPA制备工艺，成功制备出均匀性满足成像要求、包含256×256像素的THz FPA器件，测试FPA的热机械灵敏度达到2.55μm/K。6、对THz双材料微悬臂梁FPA的成像方式进行分析，搭建出THz成像系统，利用制备的FPA成功实现聚乙烯板后面的金属样品、蜘蛛和树叶等样品的THz主动实时成像，以及人体的被动成像，成像质量达到了国际先进水平，实验测得系统噪声等效功率为2.9nW/Hz1/2，动态THz成像的帧率大于20Hz。