[发明专利]一种多层透明黑磷片堆叠的集成阵列式偏振成像探测器以及相应的偏振信息计算方法

权利要求书

1.一种多层透明黑磷片堆叠的集成阵列式偏振成像探测器，探测器探测单元结构包括金属电极对(1)、顶层保护层(2)、顶层0°黑磷片(3)、介质层一(4)、中间层金属电极对(5)、中间层60°黑磷片(6)、介质层二(7)、底层金属电极对(8)、底层120°黑磷片(9)和底部支撑层(10)，其特征在于：

所述偏振成像探测器的探测单元从上向下观察，依次是制作在顶层0°黑磷片上的顶层保护层(2)、顶层金属电极对(1)、顶层0°黑磷片(3)、介质层一(4)、制作在中间层60°黑磷片上的中间层金属电极对(5)、中间层60°黑磷片(6)、介质层二(7)、制作在底层120°黑磷片上的底层金属电极对(8)、底层120°黑磷片(9)和底部支撑层(10)。

2.根据权利要求1所述的集成阵列式偏振成像探测器，其特征在于，所述顶层保护层(2)、介质层一(4)、介质层二(7)和底部支撑层(10)为二氧化硅、硫化锌硒化锌、氧化锌、氧化钇、氧化铈、氧化铌、二氧化钛、五氧化三钛、三氧化二钛、一氧化钛、五氧化二钽、碳化硅、氮化硅光学薄膜层；或者，为上述任意光学薄膜层的组合。

3.根据权利要求1所述的集成阵列式偏振成像探测器，其特征在于，所述顶层金属电极对(1)、中间层金属电极对(5)和底层金属电极对(8)为金、钛或者铬电极。

4.根据权利要求1所述的集成阵列式偏振成像探测器，其特征在于，所述顶层0°黑磷片(3)、中间层60°黑磷片(6)与底层120°黑磷片(9)指以顶层黑磷片AC方向为空间坐标系XY平面的0°方向，中间层以及底层黑磷片相当于将黑磷置于片AC方向空间坐标系XY平面的60°和120°方向上。

5.根据权利要求1所述的集成阵列式偏振成像探测器，其特征在于，所述顶层0°黑磷片(3)、中间层60°黑磷片(6)与底层120°黑磷片(9)厚度为5-60纳米。

6.根据权利要求1所述的集成阵列式偏振成像探测器，其特征在于，探测器单元由三层功能层和基底支撑层构成，功能层结构以透明黑磷片作为光敏层和导电沟道层，辅以电极和保护绝缘介质，并加以外围电路，探测器单元阵列的偏振成像探测器的像素一一对应。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的集成阵列式偏振成像探测器相应的偏振信息计算方法，其特征在于，对于探测器测得的信息运算步骤如下：

假定入射光的斯托克斯矢量是S₀＝(I,Q,U,V)^T，其中I为非偏振光强，Q和U分别代表两个方向上的线偏振光，V代表圆偏振光，圆偏振分量在仪器可以检测的范围内忽略，故此处取V＝0，即S₀＝(I,Q,U,0)^T；

第一层黑磷的AC(X)方向设置为空间坐标系中XY平面内的0°方向、第二层黑磷的AC(X)方向设置为XY平面内的60°方向、第三层黑磷的AC(X)方向设置为XY平面内的120°方向；

黑磷片造成的相位延迟，可以表示为

此处，d表示黑磷片厚度，n表示复折射率实部，λ表示入射光波长；

设P₁和P₂分别为AC(X)、ZZ(Y)方向的振幅透射率，则黑磷片的米勒矩阵可以表示为

进而，旋转了角度θ的黑磷片，使用米勒矩阵可以表示为M_Δ，θ＝T_θ·M_Δ，0·T_-θ

进而可以表示出各层入射和出射的斯托克斯矢量的变换过程，入射光S₀＝(I,Q,U,0)^T经过第一层黑磷的变换可以表示为

S₁＝M_Δ,0S₀＝(I',Q',U',0)^T

其中，I′为经过第一层黑磷后的非偏振光强，Q′和U′分别为经过第一层黑磷后的分别代表两个方向上的线偏振光；

同理，第二层的变换可以表示为

S₂＝M_Δ,60S₁＝M_Δ,60M_Δ,0S₀＝(I”,Q”,U”,0)^T

其中，I″为经过第二层黑磷后的非偏振光强，Q″和U″分别为经过第二层黑磷后的分别代表两个方向上的线偏振光；

探测器每层所采集到的电流变化量可以计算出不同角度黑磷片所对应的光强值，并根据

可以求出入射光斯托克斯矢量的四个参量I、Q和U，同时可以求出偏振光的线偏振度(DoLP)以及偏振角(AoP)