竞技宝官网app·综述：偏振集成红外光电探测器研究进展与应用

　　偏振集成探测器具有体积小、重量轻、结构紧凑，并且无需图像配准对动态目标同时同地同源探测与识别的优势。目前传统的红外偏振探测器主要包括分时偏振探测器、分振幅偏振探测器和分孔径偏振探测器。以上三种类型偏振探测器虽然在一定程度上满足了偏振探测成像的需求，但是在具体应用中仍存在一些不足。偏振集成探测器同时具备体积小、重量低以及能耗低的特点，极大地拓宽了其应用范围，正在成为新型光电成像技术的重要载体之一。

　　据麦姆斯咨询报道，中国科学院上海技术物理研究所和国科大杭州高等研究院的联合科研团队在《光电工程》期刊上发表了以“偏振集成红外光电探测器研究进展与应用”为主题的文章。该文章第一作者为周建副研究员，主要从事新型红外光电探测器方面的研究工作；通讯作者为周易研究员和陈建新研究员，周易研究员主要从事量子结构超晶格红外探测器材料与器件方面的研究工作，陈建新研究员主要从事InAs/GaSb II类超晶格红外探测器及新型红外光电器件的研究工作。

　　本文主要介绍了偏振集成光电探测器单元器件、线列焦平面、面阵焦平面的研究进展，分析了光栅结构设计与仿真、亚微米偏振光栅制备、集成与测试、偏振图像数据重构等获得高消光比偏振集成探测器的关键技术，最后介绍了偏振成像针对无人机、伪装卡车、地雷、海面舰船、面部识别、无人驾驶道路识别、海面漏油检测及医疗检测等方面的典型应用。

　　偏振集成探测器的分类主要包括三种。一是根据探测器的工作谱段可分为可见光、近红外、短波红外、中波红外及长波/甚长波红外偏振集成探测器；二是根据探测器的工作原理可以分为热敏型和光敏型，其中光敏型又分为光导型和光伏型；三是根据探测器的规模及阵列组成可分为单元器件、线列焦平面及面阵焦平面。本文根据探测器的规模及阵列组成介绍偏振集成探测器的研究进展。

　　1993年，美国约翰斯·霍普金斯大学Thompson等人第一次报道了偏振集成探测器，将1024 pixels × 1024 pixels CCDs分成两个512 pixels × 1024 pixels区域分别接收两个方向的偏振光。2002年该机构Andreou等人通过片上集成聚合物薄膜分别接收P光和S光，偏振消光比约为3:1，并对水壶成像进行了偏振对比度的分析。1999年，美国普林斯顿大学Chen等人于率先提出并制备了波纹型量子阱偏振集成红外探测器，在4个单元器件表面集成盖0°、45°、90°、135°偏振方偏振光栅，测试6~12 μm波段四个偏振方向的偏振光响应不同。

　　2010年，美国空军实验室资助亚特兰大的乔治亚州立大学Apalkov等人用实验和数值方法研究了耦合在衍射网格上的量子阱红外探测器的偏振灵敏度，如图2（a）所示。这种系统的偏振消光比由两个因素决定：衍射光栅的偏振灵敏度和光电探测器本身的固有偏振灵敏度。这些因素的综合作用导致了偏振消光比对衍射网格参数的非单调依赖性。通过改变光栅参数，即增加高度和调整光栅周期，可以达到偏振消光比的最大值。他们还研究了正入射和背入射条件下探测器的偏振特性，研究表明在正入射条件下，偏振灵敏度最强。

　　图2 （a）量子阱红外探测器示意图及偏振响应测试光谱；（b）Ⅱ类超晶格中红外结构示意图及偏振响应测试光谱；（c）集成等离子体微腔量子阱红外探测器光场分布图及SEM图；（d）集成非中心对称均匀椭圆阵列非制冷红外传感器结构示意图及SEM图；（e）集成非均匀光子晶体结构的InGaAsP量子阱光电探测器结构示意图及偏振选择增强光谱

　　2015年，韩国标准科学研究院Kim等人首次设计并制备了基于Ⅱ类超晶格（T2SL）结构的一维亚波长金光栅（1D-SGG）阵列表面结构，其工作原理是依赖金属光栅的滤光实现偏振响应选择，工作波段为2~5 μm，偏振消光比约为5:1，如图2（b）所示。

　　2014年，中国科学院上海技术物理研究所李志锋研究员课题组提出了量子阱（QW）红外探测器，该结构由量子阱和等离子体微腔（一维金属Au光栅）所组成，如图2（c）所示。研究结果表明：该探测器在长波14.6 μm的消光比达到了65:1，归因于其对光在等离子体微腔中传播及分布的有效人工操控，即在TM偏振光入射条件下，激发了局域表面等离子体（LSP）模式和表面等离子体激元（SPP）模式。

　　除了传统的金属光栅滤光或分光，光子晶体也可以对光的偏振态传播与吸收进行有效调控。日本三菱电气公司Shinpei Ogawa团队提出了利用非中心对称的均匀椭圆阵列实现偏振响应度选择性地增强，如图2（d）所示。该结构的集成基于微机电系统的互补金属氧化物半导体（CMOS）非制冷红外传感器和微机械加工技术。韩国先进科学技术研究院Jin-Kyu Yang提出了集成非均匀光子晶体结构的InGaAsP量子阱光电探测器，如图2（e）所示。为了有效促进光子耦合到探测器吸收区中，此探测器具有偶极共振模式耦合增强特性，最大响应度为0.28 A/W，是没有集成光子晶体探测器的20倍。同时该探测器对水平偏振方向和垂直偏振方向入射光响应增强分布在不同谱段，具有高度的偏振选择性。

　　在圆偏振光探测器方面，目前还仅限于单元器件的设计与实现。2015年，Valentine等人设计了“Z”字形金属银人工手性表面超结构，可以实现对近红外左旋、右旋圆偏振光的选择性吸收增强或减弱，如图3（a）所示。南开大学陈树琪教授课题组通过单层金纳米棒阵列可以实现近红外圆偏振波转换为线性偏振波或与波长有关的电场偏振角为圆偏振波的线年，美国亚利桑那州立大学Bai等人提出并建立了基于单片集成表面超材料的中波红外偏振探测器的理论模型，并进行了实验验证，该结构支持全斯托克斯参数检测任意偏振态光，如图3（c）所示。该团队获得了美国自然科学基金委员会“超小型片式集成超构表面偏振成像仪”项目的研究资助，这充分说明了美国顶尖科学家已经开始展开了研究“芯片级”偏振信息探测，凸显了研究“芯片级”偏振信息探测的重要性和紧迫性。2023年，来自新加坡国立大学电子与计算机工程学院的仇成伟教授研究团队针对现有圆偏振光探测的困难，从几何和对称性的角度提出了一种新的光电探测器件设计思路，如图3（d-g）所示，简洁而巧妙地实现了具有极大区分度、高选择性和高响应度等特点的可片上集成圆偏振光探测器。目前圆偏振探测器离可以应用的高消光比的偏振集成焦平面还有一系列技术需要突破。

　　图3 （a）手性材料与半导体集成圆偏振光电探测器示意图；（b）线偏振、圆偏振光相互转换超表面材料示意图；（c）单片集成表面超材料的中波红外偏振探测器的理论模型；（d）圆偏振结构对称性设计；（e）T型结构单元参数设计；（f）器件几何化设计包括环形、半环形以及L型等；（g）器件实现高选择性的光电响应

　　根据获取目标辐射信息的工作方式不同，红外成像仪主要可以分为光机扫描型成像仪、推扫型成像仪以及凝视型成像仪，其中推扫型扫描成像仪采用长线列探测器作为敏感元件，能够在无机械扫描情况下扩大系统的视场。

　　线列探测器在光学焦面上垂直于飞行方向作横向排列，当飞行器向前飞行完成纵向扫描时，排列的探测器如同扫帚一样可以扫出一条带状轨迹，从而得到目标物体的二维图像。偏振集成线列芯片配合低功耗的TDI型红外焦平面读出电路具备实时偏振扫描成像功能，同时可利用多级TDI电路选读功能进行信息互补提高有效像元率。与凝视型分焦平面偏振集成探测器相比，偏振集成线列焦平面的结构更容易抑制不同偏振方向的光场串扰从而提升器件的消光比，因此研制适用于推扫型的线列偏振集成探测器具有重要的实际意义。

　　2013年以来，中国科学院上海技术物理研究所龚海梅研究员团队成功研制了集成亚波长金属光栅结构的近红外InGaAs 偏振探测器，如图4（a）所示，偏振光敏元的消光比优于30:1，并对建筑物、汽车等场景进行了成像测试。

　　图4 （a） 1024×4集成亚波长金属光栅结构的近红外InGaAs偏振探测器；（b）512×4×3超晶格长波红外偏振集成探测器

　　2018年以来，笔者所在的中国科学院上海技术物理研究所陈建新研究员团队通过对基于InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的整体建模与仿真与参数优化，有效抑制了不同偏振像元的串扰，突破了亚微米偏振结构制备工艺及集成工艺，获得了消光比大于40:1的线（b）所示，并开展了对海面舰船、掩埋地雷等目标的外场成像实验。

　　偏振集成面阵焦平面不仅可以实现对空间目标的长时间凝视探测，还可以获得目标与背景的强度与偏振信息，还利用目标与背景的偏振信息，提升信背比，尤其对于复杂环境下动态高速危险目标的实时探测、识别与跟踪具有重要的意义。然而，不同偏振像元的串扰是导致分焦平面偏振集成探测器的消光比较低，因此，提升分焦平面偏振集成探测器性能主要是围绕如何抑制不同偏振像元的串扰进行。

　　一是通过减小偏振结构与光敏元距离抑制偏振光串扰。2006年，美国空军研究实验室（AFRL）研制了HgCdTe长波红外分焦平面偏振集成芯片，如图5（a）所示。长波偏振片的消光比大于200:1，并通过铟柱与探测器互联，且四个偏振方向的线栅与光敏元一一对应，集成后覆盖0°、45°、90°、135°偏振方向，消光比分别为9.5:1、8.7:1、6.3:1、9.2:1。同年，Kemme等人研究了亚波长金属偏振片的近场效应和衍射效应对探测器串音的影响。发现对于25 µm×25 µm的像元大小，波长是3.39 µm时，把偏振片与焦平面之间的距离从0.5 µm增加到1 µm时，消光比降低30%。而当像元大小60 µm×60 µm，距离是30 µm时，消光比降低 30%~50%，可见串音效果与光敏元尺寸和距离紧密相关。2007年，Forrai等人研究了规模2 k×2 k 、像元中心距为20 μm的InSb中波红外偏振集成探测芯片，如图5（b）所示，其消光比约为10，相比设计值低1到2个数量级，其主要原因也是相邻像元间的衍射串扰。与背入射器件相比，正入射器件能有效减小金属光栅到光敏区的距离，从而降低偏振串音。2008年，Malone等人把四个方向的亚波长金属偏振光栅单片集成到中波红外的InSb探测器和长波红外HgCdTe探测器焦平面上。集成前偏振光栅的消光比达到100以上，而集成到焦平面后由于串音的影响致使消光比低于20。2010年，Gruev等人提出了金属光栅直接集成的实时分焦平面CCD偏振成像传感器，像元规模1 k×1 k，像元中心距7.4 μm，在可见光波长700 nm的最大消光比达到58，如图5（c）所示，其后又深入分析了不同波长在不同积分时间下的响应消光比差异，及纳米线栅与像元尺寸不匹配导致的光学变化，以及图像校准的超像素模型。Baker等人将四个方向金属线栅偏振片集成到衬底减薄的背入射InGaAs探测器焦平面上。为了降低串音，金属光栅偏振片应该与探测器光敏区尽可能地接近，即减薄或者完全去除InP衬底。对集成到探测器之前的金属光栅偏振片进行偏振性能测试，平均消光比达到125。但是把相同的金属光栅偏振片集成到背入射InGaAs探测器焦平面后，消光比降低到6，分析其原因可能是由于不同偏振方向光敏元之间的串音造成。2018年，夜视集团北方广微联合西北工业大学赵永强团队推出了具有偏振探测性能的非制冷红外红外焦平面探测器，该探测器适用于长波红外偏振成像，成像规模为640×512，能够在红外热成像的基础上同时采集0°、45°、90°、135°四个方向热辐射的偏振信息，但具体消光比数值没有给出。2021年，中国科学院沈阳自动化研究所通过偏振片与探测器集成获得了可见光偏振相机、制冷型长波红外偏振相机，消光比分别为9.8:1和23.。