a.紅外多自由度偏振分析儀圓偏振計結構示意圖。每個超像素由1×2個像素單元構成，每個像素分別與兩個手性相反的超鏡結構進行積分;b.紅外多自由度偏振分析儀圓偏振計芯片實物照片(256×320像素);c.圓偏振成像原理示意圖。

近日，中國科學院上海技術物理研究所紅外科學與技術全國重點實驗室陸衛(wèi)、陳效雙、周靖研究員等開展合作，成功研制出長波紅外圓偏振焦平面陣列探測器，通過光子-電子協(xié)同設計與納米級穿孔對準工藝，突破集成式圓偏振探測器偏振消光比低、光吸收率下降、微納集成對準難三大瓶頸，實現(xiàn)320×256像素量子阱紅外探測器(QWIP)與手性超構鏡陣列的原位集成，為高性能長波紅外DoFPA圓偏振計的發(fā)展開辟了新途徑。該成果以“Circular Polarimetric Imaging with a Metamaterial Integrated Long-Wavelength Infrared Focal Plane Array”為題發(fā)表在《先進科學》(Advanced Science)期刊上。

長波紅外(LWIR)圓偏振成像在圓二色光譜、視覺去霧、天文磁場傳感、光學加密和生物分子診斷等領域具有重要應用。傳統(tǒng)的圓偏振探測依賴于分立光學元件(如棱鏡、透鏡、偏振片和波片)，存在體積大、結構復雜、時間分辨率低等問題。焦平面分割陣列(DoFPA)偏振計通過將偏振選擇性結構直接集成在像素上，實現(xiàn)了緊湊結構和單次成像能力，但在長波紅外波段面臨偏振消光比低、探測材料吸收能力降低以及制造復雜性等挑戰(zhàn)。

研究團隊采用手性超構鏡結構高效激發(fā)主探測圓偏振態(tài)入射光的表面等離子體激元(SPP)模式，同時反射另一種圓偏振態(tài)的光，結合量子阱材料產(chǎn)生雙偏振選擇機制，實現(xiàn)了高達23.3的圓偏振消光比(CPER)。此外，團隊還在焦平面陣列中設計棋盤格圖案排列，這種構型可實現(xiàn)斯托克斯參數(shù)S3的近原位單次曝光探測，盡管相鄰像素衍射與散射導致CPER降至5.67，仍優(yōu)于大多數(shù)紅外集成圓偏振探測器。該長波紅外DoFPA圓偏振計在10-11 μm光譜范圍內實現(xiàn)了斯托克斯參數(shù)S3成像，噪聲等效S3差為1.16×10-4,完全滿足高質量圓偏振成像需求，為實現(xiàn)更高效、更精準的偏振成像提供新的技術手段。

祝天運博士為論文第一作者。該研究得到了中國科學院B類先導專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科委等多個項目的支持。

審核編輯 黃宇