[发明专利]一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片及上转换薄膜的制备方法

说明书

一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片以及上转换薄膜的制备方法，该偏振光谱芯片包括光学聚焦微透镜阵列、像元化偏振超材料阵列、上转换薄膜，光电转换基底。制作所述上转换薄膜的方法包括材料准备，超声分散，磁力搅拌，旋涂匀胶，加热烘焙，观察析出以及薄膜密封等步骤。本发明的芯片以及制备工作方式具有整体生产工艺简单成熟的优点，大幅减轻探测系统的重量和体积，光机系统结构复杂度远低于基于现有技术方案的红外偏振成像装置，有利于系统的微型化。采用像元化偏振超材阵列，不存在运动部件，相对于传统方式的需旋转偏振轮或者波片而言，稳定性非常好。

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种硅基红外偏振光谱芯片，特别是一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片及其运用方法及上转换薄膜的制备方法。

背景技术

对目标更多属性的获取，是光学类传感器不断追求的目标。红外探测技术在许多领域有着重要的应用，包括工业、农业、地球环境、生物医学、大气、天文领域等。目前红外探测主要采用铟镓砷(发明专利：一种铟镓砷短波红外探测器，公开号：CN 105914250A)或锗基(发明专利：一种集成式红外带通滤波器和光谱仪，公开号：CN 207457534 U)探测器，铟镓砷或锗基材料对红外波段具有较好的光电响应特性，但是他们都存在着噪声大、信噪比较低，曝光时间短等不足，以及制备工艺复杂、成本较高，探测系统很难小型化等缺点。

随着上转换材料和超材料偏振技术的发展与成熟，使得研制一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片来探测红外谱段偏振图像信息成为可能。与传统红外探测光学器件相比,硅基红外偏振光谱芯片增加上转换薄膜和像元化偏振超材料结构，上转换薄膜为一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，可实现将红外光谱转换成可见光谱，这样相对于铟镓砷或锗基探测器，采用技术更成熟的硅基探测器就可以探测到；传统偏振调制为介质材料偏振控制器件，其体积大，难以将其制备到探测器的像元上，实现像元化。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题以及上述缺陷，本发明提供了一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片。包括：光学聚焦微透镜阵列、像元化偏振超材料阵列、上转换薄膜，光电转换基底；所述光学聚焦微透镜阵列，用于汇聚待测物体的红外信号，与下层的所述像元化偏振超材料阵列的偏振单元和所述底层的光电转换基底像元一一对应，经所述光学聚焦微透镜阵列汇聚的红外光穿透所述像元化偏振超材料阵列像元区，在透射过程中被偏振超材料调制转变为偏振光；所述上转换薄膜为一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，用于将红外光谱转换成可见光谱，其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。所述光电转换基底为硅基探测器，硅基探测器采用硅基图像传感器CMOS或者CCD，用于探测经所述上转换薄膜和偏振调制的到达其靶面的偏振光信号。

进一步，所述像元化偏振超材料阵列作用为调制入射光的空间偏振分布；包含具有不同方位角的多个像元化金属周期性阵列,通过改变多个像元化金属周期性阵列的空间排布方式来调制入射光的空间偏振分布。

本发明还提供一种上转换薄膜的制备方法，其步骤如下：

第一步，材料准备；所述材料包括光学胶、上转换材料与光电转换基底。

第二步，超声分散；将所述光学胶放入烧杯中，并将所述上转换材料均匀洒在所述光学胶表面，避免扎堆成簇；将超声探头放入烧杯中且可接触烧杯杯壁；固定所述超声探头并设定频率、时间；打开超声开关进行超声分散。

第三步，磁力搅拌；将超声分散好的混合溶液放置到磁力搅拌器上固定密封；加入磁子，定转速、时间；打开磁力搅拌器开关；搅拌一定时间，取样后利用显微镜查看融合情况，保证所述上转换材料均匀分布于光学胶内部，并形成融合材料。