[发明专利]超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法，探测器包括阵列排列的多个探测器像素单元，像素单元包括基底结构、微桥结构和超构材料吸收体结构；基底结构包括硅衬底和第一金属电极层；微桥结构包括支撑层、热敏层、第二金属电极层和钝化层；超构材料吸收体结构包括金属底层、介质层和金属阵列层，金属阵列层包括若干个依次排列的金属阵列；其中相邻两行两列的四个所述像素单元为一个像元，每个像元中的多个像素单元的结构相同，相互之间通过旋转得到。本发明利用超构材料吸收体中表面等离激元共振现象引起的共振波长处光的强烈吸收以及其结构固有的偏振选择特性，实现了不同波段的偏振探测。

技术领域

本发明属于非制冷红外焦平面阵列探测器技术领域，更具体地，涉及一种超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测器是利用物体辐射出的红外波段电磁波获取目标信息的器件。由于自然界温度在绝对零度以上的物体都会因自身分子运动而产生红外辐射，理论上任何物体都可以通过红外探测器获取其信息，而这一点在可见光源缺失的场景(例如夜间)中尤其重要。红外探测器具有环境适应性好，隐蔽性与抗干扰能力强，且能在一定程度上识别伪装目标的优势，因而在诸如夜间侦查，红外制导，导弹预警等军事领域和安防监控，车载夜视，工业检测等民用领域都得到了广泛应用。从现有红外探测器的内部结构来看，其核心部件是将红外辐射通过光电效应或热效应转换为电信号输出的红外像元。在红外探测器中，典型的非制冷红外焦平面探测器的原理是通过红外吸收材料对红外光的吸收，由于红外光的热效应引起温度的上升，温度的改变引起热敏材料电阻的改变，对热敏材料外加电压产生电信号，进而引起输出电信号的改变。探测目标红外辐射越强，最终引起的输出电信号的改变也越大。通过对输出电信号的监测，就能对目标红外辐射的强度进行探测。但在探测过程中，仅仅对目标辐射的强度进行探测，会对探测的准确度和精确度带来严重的影响。例如，普通的红外探测器极容易受到各种热源、光源等的干扰，探测过程中能对目标辐射和环境光源、热源等不同波长的光同时产生吸收，使得探测精度和效率大大降低；再例如，在合适的环境中，人造军事目标辐射的红外强度可以与环境背景辐射强度相当，能使人造军事目标在普通红外探测器下“隐形”，使得红外探测器失效。针对上述问题，目前普遍采用的方法，是在探测系统中加入滤光片、偏振片等分立元件，使红外探测器具有一定的波长探测和偏振探测的能力，但分立元件的加入极大提高了探测器的结构复杂度、体积和成本，在波长探测和偏振探测中也引入了器件更换复杂、系统稳定性降低等问题。最根本的解决方法是实现波长选择、偏振选择功能的像元级集成，从对红外辐射的吸收就实现波长和偏振的选择性，从而实现红外探测器的波长探测和偏振探测。

超构材料是近年来物理光学领域提出的概念，其物理实质是基于金属或介质微纳结构的光频段电磁波谐振腔。从经典电磁学理论的角度来说，由于麦克斯韦方程组在形式上具有频率不变性，微波频段天线的诸多特性，同样可以在光频段实现，这就是超构材料概念的理论来源。而以电子束曝光为代表的纳米加工技术的成熟则为超构材料的实验研究提供了技术手段。从功能上来看，由于只有特定波长的红外光才能在超构材料中形成谐振，也就起到了光学滤波的作用。而超构材料的形状和结构则决定了只有特定偏振的红外光才能形成谐振，也即偏振选择的作用。

当前在红外探测领域，常见的有在焦平面像元上方制备光栅的方法，但由于热敏层与光栅层间的热传导，一方面引入了光栅层热噪声，另一方面增大了桥面热容，偏振探测效率较低；还有在热敏层上方再增加一层微桥结构沉积光栅层的方法，这种方法解决了光栅层与热敏层的热传导问题，但工艺难度大大提升，且不具备波长探测能力，同时由于上层微桥的存在，会引入相邻像元间的串扰，影响探测精度；还有在热敏层上加工超构材料实现波长探测，但这种方法不具备偏振探测能力，且通过改变顶层材料和尺寸来调节探测波长，想要在微探测阵列上实现双色或多色探测，工艺难度也将大大提升。因此，有必要提出一种新的非制冷红外焦平面探测器。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法，旨在解决当前红外探测器在像元层次无法兼容波长探测和偏振探测的问题。