a.紅外多自由度偏振分析儀圓偏振計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)超像素由1×2個(gè)像素單元構(gòu)成，每個(gè)像素分別與兩個(gè)手性相反的超鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行積分;b.紅外多自由度偏振分析儀圓偏振計(jì)芯片實(shí)物照片(256×320像素);c.圓偏振成像原理示意圖。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陸衛(wèi)、陳效雙、周靖研究員等開展合作，成功研制出長(zhǎng)波紅外圓偏振焦平面陣列探測(cè)器，通過(guò)光子-電子協(xié)同設(shè)計(jì)與納米級(jí)穿孔對(duì)準(zhǔn)工藝，突破集成式圓偏振探測(cè)器偏振消光比低、光吸收率下降、微納集成對(duì)準(zhǔn)難三大瓶頸，實(shí)現(xiàn)320×256像素量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)與手性超構(gòu)鏡陣列的原位集成，為高性能長(zhǎng)波紅外DoFPA圓偏振計(jì)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(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)期刊上。

長(zhǎng)波紅外(LWIR)圓偏振成像在圓二色光譜、視覺(jué)去霧、天文磁場(chǎng)傳感、光學(xué)加密和生物分子診斷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的圓偏振探測(cè)依賴于分立光學(xué)元件(如棱鏡、透鏡、偏振片和波片)，存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、時(shí)間分辨率低等問(wèn)題。焦平面分割陣列(DoFPA)偏振計(jì)通過(guò)將偏振選擇性結(jié)構(gòu)直接集成在像素上，實(shí)現(xiàn)了緊湊結(jié)構(gòu)和單次成像能力，但在長(zhǎng)波紅外波段面臨偏振消光比低、探測(cè)材料吸收能力降低以及制造復(fù)雜性等挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)采用手性超構(gòu)鏡結(jié)構(gòu)高效激發(fā)主探測(cè)圓偏振態(tài)入射光的表面等離子體激元(SPP)模式，同時(shí)反射另一種圓偏振態(tài)的光，結(jié)合量子阱材料產(chǎn)生雙偏振選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)23.3的圓偏振消光比(CPER)。此外，團(tuán)隊(duì)還在焦平面陣列中設(shè)計(jì)棋盤格圖案排列，這種構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)斯托克斯參數(shù)S3的近原位單次曝光探測(cè)，盡管相鄰像素衍射與散射導(dǎo)致CPER降至5.67，仍優(yōu)于大多數(shù)紅外集成圓偏振探測(cè)器。該長(zhǎng)波紅外DoFPA圓偏振計(jì)在10-11 μm光譜范圍內(nèi)實(shí)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(zhì)量圓偏振成像需求，為實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的偏振成像提供新的技術(shù)手段。

祝天運(yùn)博士為論文第一作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇