[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

说明书

本发明公开了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。偏振成像探测器由多个探测器单元排列而成，每个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。以功能层为结构单元，沿光路方向堆叠多层可实现实时高分辨率的偏振探测。当偏振光照射器件时，由于黑磷片本身的特性，只对沿黑磷片的AC方向(Armchair)的偏振光吸收最大，其他方向会存在透射，所以多个角度的黑磷片的堆叠结构，可以在同一位置实时测量得到多个方向的光强信息。在黑磷片内载流子在外加电势驱动下单向运动，产生响应信号并实现偏振光光强的探测，并通过特定的算法求解出目标光束信息。该探测器解决了现有偏振探测空间不一致的问题，具有高度集成化、无分辨率损失、实时性好等特点，适用于偏振探测成像、导航等领域。

技术领域

本发明涉及偏振测量技术领域，具体指利用黑磷片的偏振敏感性、透光性以及二向色性设计一种多层透明黑磷片堆叠的集成阵列式偏振成像探测器，以及对应的偏振信息计算方法。

背景技术

光电探测技术随着工业化得到了长足的发展，在现代社会的军事和工业领域的应用越来越广泛，光电探测的过程就是获取光波信息的过程，光波是一种电磁波，对其携带信息的利用程度决定了是否能够得到更加精确的结果。以往传统的探测手段多关注于光强和波长的探测，而忽略光波的另一重要固有属性偏振性。相对于多数采用的强度探测，偏振探测的实现可以将信息从光强、光谱和空间的信息组扩充到光强、光谱、空间、偏振度和偏振方位角的更全面的信息组，可以获得更加精确有效的结果，进而提高目标探测和地理物质识别的精度。目前，偏振探测被广泛应用于气象探测、生物组织检测、组合导航、水下探测、地质勘探以及土壤分析等诸多关键领域。

目前的偏振光成像探测器，多采用分焦平面的集成阵列式结构，分焦平面偏振探测是指将偏振元件阵列集成到探测器的焦平面上，阵列的单个单元对应焦平面的单个像素。偏振元件阵列的最小周期单元多由2×2的偏振单元组成，构成一个超像素。在偏振元件阵列中，一个超像素由多个偏振片、波片或偏振旋转器组成，其中偏振片的透振方向、波片的角度、波片延迟量、偏振旋转的角度各不相同。因此，一个超像素内的多个单元，即可构成对入射光不同的偏振状态的测量，从中可以重构出被测光的斯托克斯矢量，进而可以实现偏振成像。但是，分焦平面偏振探测系在二维平面内通过不同焦平面的不同角度的光栅结构进行同时偏振探测，需要利用算法进行插值计算，其实时性好，但是测得信息的空间分辨率较低，存在空间不一致问题。

能够在保证集成度的条件下，同时保证时间分辨率和空间分辨率的偏振光探测探测器的关键技术就是能够实现在空间内一点可以同时测量多角度的光强信息，这就要求设计开发新的偏振探测探测器结构。但是，传统的依靠金属纳米光栅的光电探测方式依靠光栅的高光透射率TM和高消光比，不具备实现新设想的基础。因此，探索新的半导体材料和新的功能性结构来实现更高精度的偏振探测已成为当务之急。在新材料方面，黑磷被发现具有较强的本征面各向异性，可以在紫外、太赫兹、可见光以及红外等多个波段进行偏振光探测；在可见光波段黑磷片相对于其他材料，具有可观的透光性优势。基于这些优势，对现存偏振探测器的空间不一致问题，提出并设计了一种多层透明黑磷片堆叠的集成阵列式偏振实时成像探测器，其能够保证时间分辨率的同时保证了探测的空间分辨率，并且比以往的成像探测器具有更高的集成度。

发明内容

鉴于现有技术的不足之处，本发明提出了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，其解决了以往的偏振探测器空间不一致问题，能够同时保证了时间分辨率和空间分辨率，提供了精度更高的偏振光探测方案。

本发明的第一方面提供了一种多层透明黑磷片堆叠的集成阵列式偏振实时成像探测器，所述偏振光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、顶层金属电极对、顶层0°黑磷片、介质层一、制作在中间层60°黑磷片上的中间层金属电极对、中间层60°黑磷片、介质层二、制作在底层120°黑磷片上的底层金属电极对、底层120°黑磷片和底部支撑层。