一种量子阱红外圆偏振探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种量子阱红外圆偏振探测器，其结构包括金属反射镜、量子阱红外光电转换激活层、大周期金属光栅、小周期亚波长金属光栅、二维金属超表面，其中大周期金属光栅、小周期亚波长金属光栅和二维金属超表面嵌埋在对工作波段透明的介质层中。本发明专利技术利用二维金属超表面和小周期亚波长金属光栅形成选择转换腔，可选择透射特定类型圆偏振光并将其转换为相应的线偏振光；大周期金属光栅与金属反射镜形成等离激元微腔，将经过选择转换腔的光子电矢量方向由x方向转换为z方向，使其能够被量子阱子带跃迁吸收实现光电转换。同时微腔有效增强量子阱红外光电转换激活区的电场强度，进一步增强对光子的吸收，从而实现探测器对圆偏振光的选择和探测。

【技术实现步骤摘要】
一种量子阱红外圆偏振探测器
本专利技术涉及一种红外圆偏振探测器，具体涉及一种量子阱红外圆偏振探测器。
技术介绍
当自然光与物质相互作用后，会在折射光、反射光、散射光以及热辐射中引入与物质特性(如粗糙度、材料、含水度等)相关的偏振态。因此，偏振成像不仅能够有效识别传统强度成像无法或难以分辨的低对比度目标，还能够凸显出目标物体的轮廓特征，在地面及空间遥感、矿物勘探、指纹识别、医学诊断、烟雾气候环境下的导航、伪装识别、海面和水下目标的探测与识别等方面有着传统技术不具备的优势，是一种新的信息分析手段。光的偏振状态可分为线偏振态和圆偏振态。目前，对于圆偏振特性测量最常见的方法是采用在探测器前加线偏振片和四分之一波片，通过旋转偏振片或四分之一波片来实现的。但该方法需要通过机械旋转，单次测量只能获取单一偏振态的信息。而且由分立系统组成，体积大且稳定性差，同时受材料的限制，很难找到合适的工作在中、长波红外的四分之一波片。为了实现实时和动态目标的观测，人们提出将不同方向的线偏振和圆偏振元件与探测器阵列集成形成全Stokes矢量偏振探测器，相较于传统分立偏振探测技术，系统更紧凑、稳定性和可靠性更高，被认为是偏振探测的高级形式。因此，像元级单片集成偏振光探测器是偏振成像器件发展的必由之路。在可见波段，目前大多采用胆甾相液晶与相位延迟片和CCD阵列集成来实现像元级的偏振探测。而在液晶分子不适用的红外波段，大多数报道还是集中在集成线偏振探测器上，关于集成圆偏振探测器，目前仅有Li等人基于手性等离激元微腔结构实现了1.2-1.5μm近红外波段的热电子发射型圆偏振探测器，见LiW,CoppensZJ,BesteiroLV,etc.Circularlypolarizedlightdetectionwithhotelectronsinchiralplasmonicmetamaterials,NatureCommunications,6,8379,2015，中长波红外波段目前尚未见到相关报道。量子阱探测器相较常见的碲镉汞探测器具有材料均匀性好，可以通过组分调节实现多色和更长波段(相较碲镉汞探测器)的优点，而且，量子阱器件的工作机理是基于量子阱子带间跃迁，受到量子跃迁定则的限制，仅有电场垂直于量子阱平面的入射光才能被量子阱吸收从而产生电子跃迁，因此具有天然的电子态线偏振选择效应。而目前已有的量子阱探测器，均只能实现对线偏振的识别，对圆偏振光则不具有分辨能力，如中科院上海技术物理研究所李志锋等人提出的等离激元微腔耦合结构的高线性偏振度量子阱红外探测器(专利技术专利申请号：201410021014.1)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种量子阱圆偏振探测器，解决传统探测器无法分辨不同红外圆偏振光的问题。这种量子阱圆偏振探测器的实现将为中长波红外、甚至太赫兹波段的圆偏探测的提供重要的器件物理和技术基础。本专利技术的量子阱圆偏振探测器，如图1所示，其结构由下到上依次为：金属反射镜1、量子阱红外光电转换激活层2、大周期金属光栅3、小周期亚波长金属光栅4、二维金属超表面5，其中大周期金属光栅3、小周期亚波长金属光栅4和二维金属超表面5嵌埋在对工作波段透明的介质层6内。所述的金属反射镜1是一层厚度为h1的完整的金属反射层，h1不小于电磁波在金属中趋肤深度的2倍。在中远红外波段，根据电磁波理论可以得到电磁波在金属中的趋肤深度约为0.0048×λ1/2，因此金属反射镜1的厚度h1不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍，其材质包括但不限于高导电性的金或者银或者铝或其合金。所述的量子阱红外光电转换激活层2是指能够吸收入射光子并通过导带子带间跃迁实现光电转换的半导体量子阱薄膜材料，由单个或多个量子阱夹持在势垒层中形成。其成分材料包括但不限于GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs/InP或InGaAs/GaAs。量子阱红外光电转换激活层2的厚度h2不大于探测入射光在该层的等效波长(即真空中的光波长除以该层的折射率)的二分之一，具体厚度根据探测波长通过理论计算优化得到，优化的目标是使进入耦合微腔中的电磁波形成驻波模式达到最强。所述的大周期金属光栅3是指周期为p1，栅条宽度为w1，高度为h3的一维周期排列的金属光栅，其材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝或者铜。其周期p1，栅条宽度w1，高度h3根据探测入射波长通过理论计算优化决定，优化的目标是使进入耦合微腔中的电磁波形成驻波模式达到最强。对于等离激元微腔的驻波模式，栅条宽度w1和探测入射光在量子阱红外光电转换激活层2中的等效波长λ之间满足w1＝kλ/2n的关系，其中k为驻波模式阶数，n为量子阱红外光电转换激活层2中激活材料的折射率。针对中远红外波段(2.5-25μm)，理论计算给出以下尺寸参数设计范围：栅条宽度w1的数值为探测波长的十分之一到十分之十，周期p1的数值为探测波长的十分之一到十分之三十，厚度h3不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍。所述的小周期亚波长金属光栅4是指周期为p2，栅条宽度为w2，高度为h4的一维周期排列的金属光栅，其周期p1小于探测入射光在所嵌埋对工作波段透明的介质层6中的等效波长，栅条宽度w2小于周期p2，厚度h4不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍，材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝。周期p2与探测入射波长相差越多，对线偏振光的消光比(即电场垂直于栅条方向线偏振光透过率与电场平行于栅条方向线偏振光透过率之比)越高。栅条宽度w2与周期p2之比越大，线偏振光的消光比越高，但电场垂直于栅条方向线偏振光透过率越小，因此，为了同时兼顾器件消光比与光学效率，要求栅条宽度w2与周期p2之比在0.2-0.8之间。所述的二维金属超表面5，以S形阵列为例，是指周期为p3的二维S形阵列，其材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝。各单元由三段长为ls线条和两个内径为hs的半圆弧组成S形，线条和半圆弧的宽均为ws，高度均为h5。各单元S形相较x轴方向旋转角度为θ。所述的对工作波段透明的介质层6材料为对探测入射光波长透明的介质材料，包括但不限于氟化钙或者氟化钡或者硫化锌或者硒化锌或者锗或者硅。大周期金属光栅3与小周期亚波长金属光栅4之间间距为s1，数值不大于探测入射光在对工作波段透明的介质层6中的等效波长，为减小光在对工作波段透明的介质层6中的损耗，s1数值应尽量小。小周期亚波长金属光栅4与S形阵列5之间间距为s2，根据法布里-珀罗共振条件，s2的数值与探测入射光波长成正比。二维金属超表面5和小周期亚波长金属光栅4之间间距s2以及各自尺寸根据探测入射光波长通过理论计算优化决定，优化的目标是使圆偏振光的透射消光比(即选择圆偏振光透过率与非选择圆偏振光透过率之比)最大。针对中远红外波段(2.5-25μm)，理论计算给出以下尺寸参数设计范围：大周期金属光栅3周期p1为二维S形阵列5的周期p3的数值的n倍(n为整数)，且二维S形阵列5的周期p3的数值为探测入射光在对工作波段透明的介质层6中等效波长的三分之一到二分之一。二维S形超表面5中各单元相较x轴旋转角θ最优值为θ＝45°，ls与hs不大于周期p3的十六分之三，线条宽度ws不大于hs的二分之一，ls本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子阱红外圆偏振探测器，其特征在于：所述的探测器结构为：在金属反射镜(1)上依次有量子阱红外光电转换激活层(2)、大周期金属光栅(3)、小周期亚波长金属光栅(4)、二维金属超表面(5)，其中大周期金属光栅(3)、小周期亚波长金属光栅(4)和二维金属超表面(5)嵌埋在对工作波段透明的介质层(6)中；大周期金属光栅(3)与小周期亚波长金属光栅(4)之间间距为s1，数值不大于探测入射光在对工作波段透明的介质层(6)中的等效波长；小周期亚波长金属光栅(4)与二维金属超表面(5)之间间距为s2，形成圆偏振光的选择转换腔，根据法布里‑珀罗共振条件，s2的数值与探测入射光波长成正比；所述的金属反射镜(1)是一层厚度为h1的完整的金属反射层，其厚度h1不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍，其材质包括但不限于高导电性的金或者银或者铝或者铜或其合金；所述的量子阱红外光电转换激活层(2)为单层或者多层半导体量子阱光电转换功能材料，其成分包括但不限于GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs/InP或InGaAs/GaAs，其厚度h2不大于探测入射光在该层的等效波长的二分之；所述的大周期金属光栅(3)是指周期为p1，栅条宽度为w1，高度为h3的一维周期排列的金属光栅，其材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝或者铜或其合金，栅条宽度w1的数值为探测波长的十分之一到十分之十，周期p1的数值为探测波长的十分之一到十分之三十，厚度h3不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍；所述的小周期亚波长金属光栅(4)是指周期为p2，栅条宽度为w2，高度为h4的一维周期排列的金属光栅，材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝或者铜或其合金；小周期亚波长金属光栅(4)的周期p2不大于探测入射光在所嵌埋对工作波段透明的介质层(6)中的等效波长，栅条宽度w2与周期p2之比在0.2‑0.8之间，厚度h4不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍；所述的二维金属超表面(5)是指具有圆偏转化特性的超材料，以周期为p3的二维S形阵列为例，其材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝或者铜或其合金；各单元由三段长为ls线条和两个内径为hs的半圆弧组成S形，线条和半圆弧的宽均为ws，高度均为h5；各单元S形相较x轴方向旋转角度为θ；二维S形阵列(5)的周期p3的数值是大周期金属光栅(3)周期p1的1/n，n为整数，且二维S形阵列(5)的周期p3的数值为探测入射光在对工作波段透明的介质层(6)中等效波长的三分之一到二分之一；二维S形阵列(5)中各单元相较x轴旋转一定角度，优选的θ＝45°，ls与hs不大于周期p3的十六分之三，线条宽度ws不大于hs的二分之一，高度h5不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍。...

【技术特征摘要】
1.一种量子阱红外圆偏振探测器，其特征在于：所述的探测器结构为：在金属反射镜(1)上依次有量子阱红外光电转换激活层(2)、大周期金属光栅(3)、小周期亚波长金属光栅(4)、二维金属超表面(5)，其中大周期金属光栅(3)、小周期亚波长金属光栅(4)和二维金属超表面(5)嵌埋在对工作波段透明的介质层(6)中；大周期金属光栅(3)与小周期亚波长金属光栅(4)之间间距为s1，数值不大于探测入射光在对工作波段透明的介质层(6)中的等效波长；小周期亚波长金属光栅(4)与二维金属超表面(5)之间间距为s2，形成圆偏振光的选择转换腔，根据法布里-珀罗共振条件，s2的数值与探测入射光波长成正比；所述的金属反射镜(1)是一层厚度为h1的完整的金属反射层，其厚度h1不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍，其材质包括但不限于高导电性的金或者银或者铝或者铜或其合金；所述的量子阱红外光电转换激活层(2)为单层或者多层半导体量子阱光电转换功能材料，其成分包括但不限于GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs/InP或InGaAs/GaAs，其厚度h2不大于探测入射光在该层的等效波长的二分之；所述的大周期金属光栅(3)是指周期为p1，栅条宽度为w1，高度为h3的一维周期排列的金属光栅，其材质包括但不限于高导电率的金或者银或者铝或者铜或其合金，栅条宽度w1的数值为探测波长的十分之一到十分之十，周期p1的数值为探测波长的十分之一到十分之三十，厚度h3不小于以微米为单...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少伟，李辰璐，冀若楠，李宁，李志锋，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31