a.紅外多自由度偏振分析儀圓偏振計結(jié)構(gòu)示意圖。每個超像素由1×2個像素單元構(gòu)成，每個像素分別與兩個手性相反的超鏡結(jié)構(gòu)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(shù)物理研究所紅外科學與技術(shù)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(shè)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(gòu)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(lǐng)域具有重要應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)直接集成在像素上，實現(xiàn)了緊湊結(jié)構(gòu)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(fù)雜性等挑戰(zhàn)。

研究團隊采用手性超構(gòu)鏡結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)計棋盤格圖案排列，這種構(gòu)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(dǎo)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(nèi)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(zhì)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(shù)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(dǎo)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