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技术 | 超构材料红外探测芯片的研究进展

超构材料(Metamarials),是电磁学的一个研究领域,它是由亚波长单元周期或非周期排列而组成的人工结构,可以通过设计结构单元及其排布灵活地操控电磁波,带来全新的物理现象和应用。而超构材料中的亚波长单元(Subwavelength Element),实质是常见的电磁波天线(Electagnec Antenna)。例如:Pendry等利用铜质开口谐振环(Split Ring Resonator)的阵列实现了频率在10GHz附近且具有负等效磁导率的超构材料,而其中的铜质开口谐振环,本质上为微波天线(crowave Antenna)。Capasso等于2011年在《Science》期刊发文提出广义折反射定律时,所采用的V型金天线(gold V-anten),则是工作波长为8μm的金属电磁天线。

天线,是电磁学研究中最为完善、应用也最广泛的一个概念,它的基本功能就是实现自由空间电磁波与局域电磁场之间的相互转换,并调控电磁波的频率、偏振态及相位等参量,如图1(a)所示。天线的尺度往往小于一个工作波长。例如,常见的半波偶极子天线的长度为工作波长的一半,因此其符合 “亚波长单元”的定义。

单个天线对电磁波的操控能力是有限的,为了获得对电磁波更强大的调控能力,对天线阵列(Antenna Array)的研究也就构成了电磁学中的一个重要的组成部分。因此,超构材料可被理解为电磁天线的阵列,而超构材料对电磁波的操控能力,则来源于电磁天线及其阵列在与电磁波交互作用过程中对波长、偏振态、相位等电磁波参量的调控作用。

天线对电磁波的操控能力,服从麦克斯韦方程组描述的物理规律,而麦克斯韦方程组的适用范围涵盖了从、微波、太赫兹、到可见光的整个电磁波谱。因此,天线和超构材料可以在整个电磁波谱范围内自由操控电磁波。例如,在微波频段,有微波天线和微波超构材料,在光频段则有天线和光学超构材料,如图1(b)~(e)所示。用于构建超构材料的材料,可以是金属、介质或半导体等。而超构材料的运用模式,则包含透射式、反射式和吸收式等,如图2所示。例如,基于 “金属-介质-金属”结构的偏振选择型超构材料红外吸收体是一种吸收式超构材料,具有调控电磁波波长和偏振态的功能;而基于纳米介质波导阵列的可见光消超构材料透镜,则是一种透射式的超构材料,具有调控电磁波相位(波前)的功能。

图1 电磁天线及其阵列

图2 电磁超构材料的工作波长、组成材料、参量调控功能及运用模式

天线和超构材料的制备方法,大体可以分为自顶向下(top-down)和自底向上(bottom-up)两种工艺路线。例如,采用紫外光刻、电子束曝光、直写、纳米压印等方式定义亚波长结构的图案,并结合薄膜生长、金属剥离、干/湿法刻蚀等工艺形成亚波长结构,就属于自顶向下的工艺路线。而采用化学、自组装等方式形成亚波长结构,则属于自底向上的工艺路线。由于自顶向下的工艺路线可以在亚波长尺度上精准定义天线的几何结构及单元阵列的排布方式,并且与激光器、探测器等集成光电器件的流片工艺兼容,也可以实现晶圆级的大规模制备,因此本文主要关注自顶向下的工艺路线。

超构材料对电磁波的强大操控能力,使其成为了构建各种新型电磁参量调控元件的基础。由自顶向下工艺路线带来的CMOS工艺兼容性,和晶圆级的大规模制备能力,又使超构材料与各种光电器件的集成成为了可能。与传统光电器件相比,超构材料集成式光电器件具有更强大的电磁参量分辨与调控能力,对透镜、滤光片、偏振片等分立光学元件的依赖程度更低,与之相关的光学系统也更紧凑、更轻巧。

本文将从分析超构材料对电磁波的频率 (波长)、偏振态与相位 (波前)等参量的调控与分辨能力入手,结合红外探测芯片及成像系统的发展趋势,介绍超构材料与红外探测芯片结合,在双色/多色成像、高光谱成像、偏振成像等先进成像模式中的应用,以及国内外相关的研究进展。

电磁波及其参量调控

电磁波是由同步振荡且互相垂直的电场与磁场构成的横波,它是人类获取外在世界信息的基本途径之一。比如,人眼可以通过接收可见光频段(400nm~700nm)的电磁波获取目标的图像信息;而红外探测芯片,则进一步拓展了人类在红外频段获取电磁信息的能力。这里的红外频段包括:0.9μm~1.7μm(短波红外)、3μm~5μm(中波红外)和8μm~14μm(长波红外)。如图3(a)所示,在电磁波谱的每一个频段(如可见光、红外、太赫兹、微波、射频等),人们都构建了相应的信息获取技术。

强度(振幅)、频率(波长)、偏振态与相位(波前),是描述电磁波的基本物理参量。振幅描述了电场和磁场的绝对值大小,而强度正比于振幅的平方,表征了电磁波携带的功率大小;频率描述了电场与磁场作周期性振荡的快慢程度,它与波长成反比;相位描述了电场与磁场在周期振荡过程中所处的时间进程,而空间中相位相同的点所构成的面,即为波前。图3(b)显示了电磁波的两种常见的波前:平面波前和球面波前。偏振态则描述了电场矢量与磁场矢量在垂直于传播方向的平面内的变化状态。例如,图3(c)、图3(d)分别显示了电磁波的两种典型偏振态——线偏振态和圆偏振态。

图3 电磁波及其参量

电磁波的上述参量在获取目标电磁信息的过程中扮演了重要的角色。例如红外热像仪通过物体在特定红外频段中辐射的电磁波获取目标的形貌,其实质是获取电磁波的强度分布图像。这种图像来源于电磁波在特定红外频段(短波、中波或长波)内,对所有频率分量和所有偏振态分量的积分。换言之,热像仪所形成的图像并没有区分电磁波的频率和偏振态。然而,来自目标物体的电磁波的频谱特征和偏振态也包含了该物体的丰富信息。例如各种气体分子在红外频段都有其特征吸收/辐射波长,这些特征波长是区分气体种类的性信息,如图4所示。而各种固体目标表面的微结构,会使其辐射/反射的电磁波的偏振态具有相应的特征,这些特征偏振态是区分不同目标物体的又一重要维度。

图4 气体分子在红外频段的特征吸收波长

为了进一步挖掘这些信息,需要对频率和偏振态进行精确分辨。相应地,双色/多色成像、高光谱成像、偏振成像等先进成像模式也被发展起来。以双色/多色成像为例,通过在两个(或多个)较窄的红外频段分别获取目标与背景的图像,并对所获取的图像进行数学运算,可以有效提高图像的信噪比,并凸显目标物体的轮廓;而高光谱成像,则是将电磁频谱进一步划分为若干更窄的频带,并在每一个窄频带的中心波长处获取目标的图像。这样获取的图像集合,既包含了目标物体辐射的电磁波强度分布,又包含了目标物体每个位置的光谱信息;偏振成像,则是在获取目标物体辐射的电磁波的强度分布图的基础上,进一步获取电磁波的偏振态分布图。通过将强度分布图与偏振态分布图进行比对,可以将辐射强度相近但偏振特性差异较大的物体区分开来。美国华盛顿大学圣路易斯分校的Viktor Gruev等人于2010年报道了基于像元级集成纳米线栅结构的CCD偏振相机。如图5(a)所示,通过在CCD焦平面探测器的每个像元上集成铝纳米线栅,使得每个像元能够独立分辨可见光的偏振态,再配合相应的读出和图像处理算法,就可以对目标在可见光波段的辐射强度和偏振态同时成像。从图5(b)~图5(d)可以看出,同样的探测目标在光强分布图和偏振态分布图上呈现出来的特征是显著不同的,这就大大增强了探测器对目标的识别能力。

图5 基于像元级集成纳米线栅结构的CCD偏振相机

用于调控光频电磁波参量的元件有滤光片、偏振片、透镜等。以带通滤光片为例,通过在透明衬底上沉积多层膜系结构,可以选择性地透过某一波长范围内的电磁波,实现滤光功能;而就线栅偏振片而言,通过在衬底上人为加工金属线栅结构,就可以选择性地透过电磁波的某一偏振态分量,并反射其余的偏振态分量;透镜,则是由透明材料加工制成的具有特定曲面面型的元件。电磁波在经过透镜时,在镜面不同位置处积累不同的相位,进而实现对电磁波波前(等相位面)的调控。

将作为电磁参量调控元件的滤光片、偏振片、透镜,以及将电磁波转化为读出电信号的探测芯片,按照一定的顺序组合在一起,就得到了各种光学系统。由于这些分立式的电磁参量调控元件和探测芯片的功能单一,在实际应用中,光学系统往往要加入为数众多的元件才能实现特定的功能,这使得成像系统的结构复杂,体积庞大。如果能实现电磁参量调控元件与探测芯片的集成化与多功能化,就可以使光学系统更紧凑、更轻巧。


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