超表面双色偏振热探测器研究

Thermal detectors obtain the information from their targets by converting the temperature difference caused by these objects into electrical signals. Essentially it is the intensity of the electromagnetic waves emitted by the objects that are detected. On the pixel level, however, thermal detectors are unable to sense the wavelength and polarization of the electromagnetic waves. Therefore they rely on discrete optics such as optical filters and polarizers. The objective of the planned research is to enable thermal detectors to sense not only the intensity but also the wavelength and polarization of the electromagnetic waves. We propose a new thermal infrared pixel structure in which optical metasurfaces are integrated as infrared absorbers to enable the pixel level optical focusing, spectral filtering and polarization selectivity of thermal detectors. We plan to study the spectral filtering and polarization selectivity of the metasurface infrared absorbers, the new infrared pixel structure and its fabrication process and the spectral selective and polarization selective detection performances of the detectors. The proposed study are compatible with the current uncooled infrared focal plane array technology and the results can be translated into novel thermal detection functionalities with many potential applications such as dual band imaging, polarization imaging and on-chip infrared spectroscopy.

热探测器通过将物体造成的温度差转换为电信号并获取其信息，实质是对目标物体电磁辐射的强度信息进行感知。但热探测器在像元层次上对电磁场的波长信息和偏振信息并无感知能力，因而导致探测器对分立光学元件如滤光片和偏振片等的依赖，这是本项目拟解决的关键科学问题。研究目标是使热像元不仅能探测电磁场的强度，还具有对波长信息和偏振信息的感知能力。研究方案是从源头出发构建新型热红外像元结构，以像元级集成超表面红外电磁吸收体的方式，将光场聚焦，光学滤波和偏振选择等功能单元集成于红外像元上。研究内容是超表面电磁吸收体的波段/偏振选择特性、集成超表面的红外像元结构及其工艺实现、集成式红外像元的波段/偏振选择性探测性能。创新点是提出了与现有非制冷焦平面工艺兼容的超表面集成式红外像元结构，使热探测器能对电磁场的波长和偏振信息实时提取，为双色探测、偏振探测、片上光谱分析等具有军民多方面应用价值的新型探测功能奠定了基础。

光电探测器是各类光学系统的核心部件,而目前的各类光电探测器都只能将电磁波的强度(振幅)所携带的信息转换为读出电信号，却丢失了频率、相位、偏振态等参量携带的信息。因此，这些探测器通常需要配合折射透镜、滤光片、偏振片等分立式光学元件才能实现光的电磁参量的完全分辨，而这也塑造了各类光学系统的体制。超表面是亚波长结构单元的二维阵列，其中的每个亚波长单元可以独立调控光的各种电磁参量，因此超表面具有强大的光场调控能力。本项目提出光学超表面和氧化钒微测辐射热计和 CMOS-MEMS 热电堆的一体化像元结构，在像元层次直接实现光场聚焦与增强，光学滤波以及偏振选择的功能，从而摆脱了对滤光片和偏振片等分立光学元件的依赖，也相应的革新了成像探测器的体制。项目开发了超表面吸收体与微测辐射热计和CMOS-MEMS热电堆探测器的一体化制造工艺流程，实际制造了同时具有光谱选择和偏振选择响应能力的微测辐射热计和CMOS-MEMS热电堆探测器原理样机。制造的3um-5um和8um-12um两个波段的超表面偏振选择吸收体对TM模式的峰值吸收率在90%以上，平均吸收系数分别为73.4%和77.3%，偏振消光比分别为31.17和37.21。制造的两个波段的探测器对TM模式的峰值吸收率在95%以上，半高宽分别为5.289um-6.583um和6.022um-7.361um，TM模式平均吸收系数分别为83.0%和79.7%，偏振消光比分别为41.29和44.03。两个探测器的峰值响应率分别为1.00V/W和1.46V/W，探测器1在11Hz的调制频率下获得了最高的探测率为6.94×10^5cm*Hz^1/2W^-1, 探测器2在36Hz的调制频率下获得了最高的探测率为9.95×10^5cm*Hz^1/2W^-1。从成像探测器的角度来看，在引入光学超表面后，探测器像元在红外辐射的强度探测基础上，又具有波长感知和偏振感知能力，极大的提高了探测器对目标的识别能力，相应的拓展了红外探测器在实践中的用途。由于国产非制冷焦平面探测器已经发展到百万级像素的规模，在引入光学超表面后，每个像元都可以有独立的波长感知能力和偏振感知能力，在大规模阵列化之后，可以实现红外光谱和偏振谱的细分，这将为各种新体制成像探测器件的研发奠定基础。