上集成微纳结构的红外偏振探测器的工作模式

封面展示了一种片上集成微纳结构的红外偏振探测器的工作模式。该器件通过像素级偏振敏感微结构实现红外入射光的全偏振信息解耦，并在像素级光吸收区将解耦后的偏振信息转换为电信号。随后，对读出电信号进行校正与重构，以实现被测目标全偏振特征的实时提取。该片上集成微纳结构的红外偏振探测器具有高集成度和实时成像能力，可高效获取被测目标及场景的材料成分、表面形貌和理化特性等，在**、民用及医疗等领域展现出重要应用价值。

1、背景介绍

偏振是电磁波重要的信息组成部分，指光波的振动方向。当光波与介质表面进行交互或穿过介质时，其振动方向可能会发生改变，变化后的光波偏振信息可以反映介质的材料、表面形貌和理化性质等。通过分析光场的偏振信息，在传统二维空间强度分布的基础上叠加偏振度、偏振角等偏振特性参数，实现对被测场景的实时偏振成像，在目标检测、反侦察、材料缺陷检测、生物组织病变诊断等方面具有重要的应用价值。特别是在红外波段，增强偏振维度信息可以在传统强度成像的基础上抑制背景杂波，提升复杂环境下对目标的识别能力。

针对轻量化、高集成度和稳定性、实时全偏振红外探测的需求，基于像素级偏振敏感结构的红外分焦平面（DoFP）的偏振集成探测方案成为新一代红外探测技术的重点发展方向。微纳结构以其强大的光场调控能力，可在像素级尺度上对全光信号定制定向传输和局域通道，在DoFP方案中承担偏振解析功能层的关键角色。该功能层通过三维高精度贴合等集成技术，与红外探测器芯片实现高效耦合，从而提升探测系统的集成度与性能稳定性。

2、关键技术：高效率偏振解耦和高精度偏振重构技术进展

目前，用于分焦平面片上集成的像素级偏振调控结构正在被持续探索与优化。一方面，红外波段的探测依赖于目标自身的辐射，信号强度较弱，这对能量利用效率提出了更高要求。辐射能量的损耗将直接影响偏振探测器件的响应率，进而降低探测能力。另一方面，随着工作波长增加和响应尺寸减小，结构设计难度增大并且串扰加剧，这是目前分焦平面红外偏振探测器消光比提升受限的两个关键因素。总的来说，面向分焦平面偏振成像的微偏振片结构设计，研究人员正在以下几方面开展进一步研究：探索滤光结构到偏振复用结构的转变，以提高能量利用效率[图1（b）]；进一步附加像素级的光会聚能力，以降低邻近像元之间的光串扰[图1（c）]；借助超表面高超的光场调控技术实现对偏振光谱的同步探测[图1（d）]；引入人工智能算法，使复杂微纳结构的设计能力趋近于物理极限[图1（e）]。这些设计还涵盖了宽谱工作范围内的消色差能力以及大入射角度下的探测能力等关键指标。同时，大量出色的研究也从集成器件的整体优化角度出发，关注集成器件的协同设计，并在信号读出后进行偏振校正和高精度偏振重构，如图1（f）所示。以上技术的突破是推动分焦平面探测方案走向实际应用的关键。

图1 片上偏振红外成像器件[1]

2.1 偏振“滤"光

若在偏振滤光的基础上引入像素级的光场会聚，将目标偏振分量的光场信号局域在对应像素的吸收区中心，就能在较大程度上抑制邻近像元之间偏振信息的串扰。图2（a）所示为SONY公司在2019年推出的一款商用偏振图像传感器IMX250MZR，引入像素级微透镜，将微型偏振片置于微透镜下方，在抑制邻近像素信息干扰的同时提高了光子收集效率，其像素规模为2448×2048，消光比高达84∶1[2]。得益于近些年超表面技术和微纳加工技术的发展，基于微纳结构的二维平面光学成为新的关键方法。2022年，光电技术研究所[3]也基于偏振依赖的相位优化原理，在毫米级较大尺寸上提出了一种无串扰的宽带消色差全斯托克斯成像偏振方案，如图2（b）所示。与单一偏振优化方法相比，在9~12 μm范围内的任意偏振入射光下，该方案的平均串扰减小了30%以上，保证了偏振状态的精确测量，有效消除了宽谱色差。

图2 偏振“滤"光及会聚方案[2][3]

2.2 偏振复用

以金属线栅和“滤光"型超构表面为代表的微偏振片的能量利用率极限仅为50%，若要进一步提高能量利用率，在光场的像素级空间压缩能力的基础上引入偏振复用的处理能力尤为关键。2018年，加州理工学院[4]基于介质超表面提出了在X/Y、A/B、L/R三组偏振基上同时进行复用和光场会聚的方案，如图3（a）所示，并在以850 nm 为中心、半峰全宽为10 nm 的光谱范围内给出了全斯托克斯的偏振态表征结果：2×3超像元尺寸为9.6 μm×14.4 μm，能量利用率为60%-65%，突破了分焦平面偏振滤波探测中50%的理论测试效率极限。南京大学[5]结合传输相位和几何相位提出了基于全介质超表面的可见光全斯托克斯分焦平面偏振测量方案[如图3（b）所示]，并在530 nm处进行了全斯托克斯偏振验证。结果显示，能量利用率超过了54%。

图3 偏振复用及会聚方案[4][5]

2.3 功能性微结构的逆向设计

基于超表面光场调控的偏振集成器件结构设计需要同时实现多个参数的优化，如偏振特性、色散特性、传输效率等，这对数据库规模和丰富性的要求呈指数级增长，同时这也使得严格依赖物理模型推导超构表面的传统设计方法在设计自由度和功能复杂性方面面临严峻挑战，在多功能场景下难以满足需求。近年来，人工智能辅助设计在光物理领域迅速渗透，突破了传统设计方法的局限，为超构表面设计提供了更加高效的途径，可减少计算和实验资源的消耗。图4展示了基于深度学习技术的正向和逆向设计框架[6]。将结构参数（如几何、材料等参数的数组形式）输入到神经网络中，通过仿真或实验获得输出的物理响应。在训练过程中，神经网络用于确定输入和输出之间的映射关系，而正向设计则利用该网络预测给定结构的物理响应，这些物理响应可用于数据库的扩充。交换输入和输出数据并应用类似的训练过程，预测能够实现目标物理响应的结构参数这一逆向过程，可用于高效推理满足目标相位的器件结构。

图4 基于人工智能算法的超表面结构正向及逆向设计框架[6]

2.4 高精度偏振重构

受限于超表面结构的色散作用以及微结构的加工误差，实际测试超表面结构的偏振消光效果以及光谱分辨率效果不尽如人意，较难在宽谱范围内实现片上集成的高消光比器件。鉴于此，可在以下两方面开展进一步研究：首先，优化器件的物理结构，提升滤光/复用的聚焦效率及宽谱消色差效果，前者是基础，而后者是亟待解决的重要问题；其次是对数据处理方法进行创新，基于重构算法提升信息还原能力，这是应对挑战与需求的必然选择。在对集成器件全链路光场传输及光电转化过程进行建模的基础上，运用重构技术来提高空间分辨率并降低噪声干扰，可以实现对隐含信息的有效还原，这将为科学研究和实际应用提供更为精准和全面的成像数据。在可重构的光电探测器件中，光响应测量和光特性提取被视为信息编码和解码过程。光电探测器充当编码器，将未知的高维物理量（光的固有物理性质）转换为探测器响应输出，通道读取探测器携带有噪声分量的输出，破译编码的高维信息，如图5所示[7]。器件的可重构性与神经网络的结合，可以有效解码高维光响应向量，从而降低器件的物理复杂性。

图5 高维物理量重构示意图[7]

3、总结与展望

红外探测技术利用物体自身的辐射进行探测和成像，可在低光或无光环境下对目标进行检测。若引入偏振维度，则可以在多个特征维度上对目标和背景进行区分，从而可以在复杂的背景下实现更准确的目标识别和特征提取。推动基于微纳结构的片上红外偏振成像器件的发展具有重要意义，未来的研究和应用应当关注以下几个关键点：1）微偏振片的设计；2）集成器件的设计和加工；3）读出数据后处理。分焦平面偏振成像技术为获取更全面和高效的光学信息提供了重要手段，但若要在红外波段实现高消光比和高能量利用率的成像和应用，在结构设计上仍存优化空间。通过需求牵引和多方向融合设计，可为红外偏振、光谱等微型光学成像系统的发展和应用提供新途径。

参考文献： 中国光学期刊网

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