[发明专利]等离激元微腔耦合结构的高线性偏振度量子阱红外探测器

说明书

技术领域

本发明涉及具有偏振探测能力的光电探测器，具体是指采用集成在像元上的等离激元微腔耦合结构的线性偏振探测量子阱红外光电探测器。

背景技术

光的偏振状态可分为圆偏振状态和线性偏振（简称线偏振）状态。一般地，对于光的线偏振特性测量是采用在探测器之前放置线性偏振片，通过旋转偏振片的角度而获得光电探测器响应的强度随偏振片角度之间的变化关系，从而获得入射光的线偏振特性。但该方法需要通过机械旋转，不能实时地获得入射光的偏振特性。另外的一种方法是通过分光将入射光线分成3～4路，每个分路上分别放置一块角度偏差递增45度的偏振片，再利用3～4个探测器同时测量，通过计算光的Stokes分量并通过数学计算合成获得实时入射光的偏振状态及其变化。但这种方法装置结构复杂，特别是对于偏振成像探测，需要至少3个性能一致的焦平面探测器同时工作在共焦面上，还必须完成图像的拼接校正才能够实现偏振探测成像。光学元件装配中引入的偏差或者是温度变化时各分路热胀冷缩的不一致都将影响成像的质量。为了解决这一问题，人们将偏振片集成在探测器像元的表面，使得单个光电探测器的像元只对一种偏振方向的响应最大，而对与之垂直方向的偏振响应最小，然后通过在4个探测器像元上设置4个方向的偏振片，通常是水平、垂直、左倾45度和右倾45度。工作时同时读取4个像元上的光响应信号，获得各个方向上的Stokes偏振分量，再通过数学计算来获知入射光的偏振状态。这种集成偏振片通常采用在光电探测器像元表面制作周期性的线条栅（简称线栅）所形成的一维透射光栅来实现。对于量子阱红外探测器这类对于正入射光不能直接吸收的光电探测器，则是在其背面制作一维反射光栅，一方面改变入射光的传播方向，另一方面选择反射光的偏振状态，形成偏振选择性。由于这种集成偏振片是直接将偏振片做在像元上，很容易制作成为焦平面探测器。其中取4个像元分别探测不同的偏振方向，然后合成为一个单一像元的信号，再通过由这样4元一组周期性重复排列的二维列阵探测器直接输出成像。尽管这样做将降低焦平面探测器的空间分辨率，例如原先640×512元的探测器，制作偏振片之后实际的等效像元数降低成为160×128元，但由于增加了偏振状态的探测，能够反映出原先强度图像中所不具备的偏振信息，相当于增加了一个探测信号的维度，同时仍然能够保持原先焦平面探测器的实时快速直接成像的能力，因此在医学中的肿瘤探测、遥感中的地质探测和军事侦察中的目标探测等方面都有着广阔的应用前景。

在这种集成微偏振片结构中，由于探测器像元尺寸的限制，偏振片的尺寸不能超过像元尺寸因而也受到限制，导致一维线栅偏振片的工作条件远远偏离理想偏振片的工作状态，即理想的偏振片工作状态要求线栅在长度方向上的尺寸远远大于线栅的周期并大于入射光斑直径。因此，当集成微偏振片针对某种偏振状态形成最佳透射条件时，与之垂直方向上的偏振光也能够通过像元边缘耦合等方式透过偏振片，在探测器像元中引起光电响应。这样就降低了集成偏振片的偏振选择度，相应地降低了偏振探测器的消光比（定义为横磁TM偏振光响应与横电TE偏振光响应之间的比值，表示成消光比ρ=R_TM/R_TE，R_TM、R_TE分别是探测器对于TM偏振光和TE偏振光的响应）。

此外，在可见光波段偏振片可以采用有机大分子的线状排列来制作一维透射光栅。这种大分子的线状排列具有制作简单、价格低廉的特点。然而在红外波段特别是在中红外波段（400-4000cm^-1，2.5-25μm），这些大分子对入射光将形成强烈吸收，因此不能用来制备红外偏振片。红外波段只能采用金属或者是非吸收介质材料来制作一维线栅，形成红外偏振片。