[实用新型]一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列

说明书

技术领域

本实用新型涉及单光子探测及偏振成像领域，具体是指一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列。

背景技术

随着单光子探测技术的发展和其应用领域的不断拓展，对于高性能单光子探测技术的需求越来越大，不但对探测灵敏度的提出更高要求（低暗计数、高量子效率、短抖动时间等），单光子偏振态探测作为极限灵敏度光子偏振态测量技术, 在偏振成像、量子信息技术、生物医学和天文等领域具有极为重要的应用价值。然而，大多数传统的单光子探测器为强度探测,对于偏振并不敏感。为了实现偏振选择性探测，通常需要在光学探测器前额外加上一个偏振分束器或独立偏振起偏器探测，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。为了方便实时偏振探测，可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。在4个探测器像元上设置4个方向的偏振片，通过数学计算获知入射光的偏振状态。这种方法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。但当前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。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，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。导致电场垂直于光栅方向的入射光在探测器像元中引起光电响应，降低了集成偏振片的偏振选择度。

同时，对于单光子探测而言，光的收集效率及暗计数是两个极其重要的性能参数。对于超导纳米线单光子探测器而言，其通常都由一系列极窄的纳米线条组成，难以制作成大面积探测器，目前比较成熟的工艺只能做到10μm×10μm 左右，光接收面积非常有限，导致光收集效率很低；对于单光子雪崩探测器（SPAD）而言，单个的载流子就能引起雪崩击穿，形成宏观的电流，从而可以实现单光子探测。但其暗计数通常较大，为了降低暗计数可以减小光敏面尺寸，但这又会造成光接收面积减小，导致光收集效率降低。由此可见，耦合汇聚无论是对超导纳米线单光子探测器还是单光子雪崩探测器，都是极其重要的。此外，背景环境杂散光对单光子探测也会造成不利影响，如果能在汇聚耦合的同时有效过滤背景环境杂散光，那将进一步提升单光子探测器性能。

公开日为2013年6月19日，公开号为CN103165723A的中国发明专利文献，公开了通过环形汇聚光栅能够实现小面积探测器汇聚耦合作用，但没有偏振探测的功能；公开日为2014年4月30日，公开号为CN103762220A的中国发明专利文献，公开了能够实现红外波段偏振探测，但光栅面积与器件面积一样大，没有汇聚耦合、减小器件台面的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，既有偏振探测功能，又有汇聚功能的光耦合结构，能够实现偏振探测同时提高超导纳米线单光子探测的响应率，减小APD探测器的暗计数，对于偏振单光子成像具有重要意义。

本实用新型的技术方案如下：

一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，其特征在于：整体结构为二维周期性排列的偏振探测单元，其中每个偏振探侧单元包括单光子探测器组及四个具有不同偏振方向的汇聚耦合结构，四个汇聚耦合结构集成在单光子探测器组上，每两个相邻汇聚耦合结构的偏振方向相差45度。

本实用新型工作时，同时读取四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得入射光的偏振状态。然后将四个像元获得的入射光不同偏振状态的信号合成为一个单一像元的信号，再通过这样四元一组周期性重复排列的二维列阵探测器直接输出成像，构成单光子偏振成像阵列。

所述单光子探测器组包括四个一一对应的单光子探测器和衬底，单光子探测器包括但不限于超导纳米线单光子探测阵列或单光子雪崩探测器，衬底的材质可以是但不限于如下材质中的一种：硅、蓝宝石片、磷化铟、氮化镓、砷化镓。

所述四个汇聚耦合结构均是相同结构，按入射光经过的先后顺序依次是：上层金属光栅层，透明介质汇聚层，金属阻挡层和下层金属反射出光层。所述透明介质汇聚层位于上层金属光栅层和下层金属反射出光层之间，所述金属阻挡层位于上层金属光栅层、透明介质汇聚层和下层金属反射出光层的两侧面。所述上层金属光栅层，透明介质汇聚层，金属阻挡层和下层金属反射出光层四个部分共同构成一个微腔结构，该微腔结构同时具有偏振、汇聚耦合及滤波的功能。