封面展示了一種片上集成微納結(jié)構(gòu)的紅外偏振探測器的工作模式。該器件通過像素級偏振敏感微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外入射光的全偏振信息解耦，并在像素級光吸收區(qū)將解耦后的偏振信息轉(zhuǎn)換為電信號。隨后，對讀出電信號進(jìn)行校正與重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)全偏振特征的實(shí)時(shí)提取。該片上集成微納結(jié)構(gòu)的紅外偏振探測器具有高集成度和實(shí)時(shí)成像能力，可高效獲取被測目標(biāo)及場景的材料成分、表面形貌和理化特性等，在**、民用及醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。

1、背景介紹

偏振是電磁波重要的信息組成部分，指光波的振動(dòng)方向。當(dāng)光波與介質(zhì)表面進(jìn)行交互或穿過介質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)方向可能會(huì)發(fā)生改變，變化后的光波偏振信息可以反映介質(zhì)的材料、表面形貌和理化性質(zhì)等。通過分析光場的偏振信息，在傳統(tǒng)二維空間強(qiáng)度分布的基礎(chǔ)上疊加偏振度、偏振角等偏振特性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對被測場景的實(shí)時(shí)偏振成像，在目標(biāo)檢測、反偵察、材料缺陷檢測、生物組織病變診斷等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。特別是在紅外波段，增強(qiáng)偏振維度信息可以在傳統(tǒng)強(qiáng)度成像的基礎(chǔ)上抑制背景雜波，提升復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)的識別能力。

針對輕量化、高集成度和穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)全偏振紅外探測的需求，基于像素級偏振敏感結(jié)構(gòu)的紅外分焦平面（DoFP）的偏振集成探測方案成為新一代紅外探測技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。微納結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)大的光場調(diào)控能力，可在像素級尺度上對全光信號定制定向傳輸和局域通道，在DoFP方案中承擔(dān)偏振解析功能層的關(guān)鍵角色。該功能層通過三維高精度貼合等集成技術(shù)，與紅外探測器芯片實(shí)現(xiàn)高效耦合，從而提升探測系統(tǒng)的集成度與性能穩(wěn)定性。

2、關(guān)鍵技術(shù)：高效率偏振解耦和高精度偏振重構(gòu)技術(shù)進(jìn)展

目前，用于分焦平面片上集成的像素級偏振調(diào)控結(jié)構(gòu)正在被持續(xù)探索與優(yōu)化。一方面，紅外波段的探測依賴于目標(biāo)自身的輻射，信號強(qiáng)度較弱，這對能量利用效率提出了更高要求。輻射能量的損耗將直接影響偏振探測器件的響應(yīng)率，進(jìn)而降低探測能力。另一方面，隨著工作波長增加和響應(yīng)尺寸減小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增大并且串?dāng)_加劇，這是目前分焦平面紅外偏振探測器消光比提升受限的兩個(gè)關(guān)鍵因素。總的來說，面向分焦平面偏振成像的微偏振片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究人員正在以下幾方面開展進(jìn)一步研究：探索濾光結(jié)構(gòu)到偏振復(fù)用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，以提高能量利用效率[圖1（b）]；進(jìn)一步附加像素級的光會(huì)聚能力，以降低鄰近像元之間的光串?dāng)_[圖1（c）]；借助超表面高超的光場調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對偏振光譜的同步探測[圖1（d）]；引入人工智能算法，使復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力趨近于物理極限[圖1（e）]。這些設(shè)計(jì)還涵蓋了寬譜工作范圍內(nèi)的消色差能力以及大入射角度下的探測能力等關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，大量出色的研究也從集成器件的整體優(yōu)化角度出發(fā)，關(guān)注集成器件的協(xié)同設(shè)計(jì)，并在信號讀出后進(jìn)行偏振校正和高精度偏振重構(gòu)，如圖1（f）所示。以上技術(shù)的突破是推動(dòng)分焦平面探測方案走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖1 片上偏振紅外成像器件[1]

2.1 偏振“濾"光

若在偏振濾光的基礎(chǔ)上引入像素級的光場會(huì)聚，將目標(biāo)偏振分量的光場信號局域在對應(yīng)像素的吸收區(qū)中心，就能在較大程度上抑制鄰近像元之間偏振信息的串?dāng)_。圖2（a）所示為SONY公司在2019年推出的一款商用偏振圖像傳感器IMX250MZR，引入像素級微透鏡，將微型偏振片置于微透鏡下方，在抑制鄰近像素信息干擾的同時(shí)提高了光子收集效率，其像素規(guī)模為2448×2048，消光比高達(dá)84∶1[2]。得益于近些年超表面技術(shù)和微納加工技術(shù)的發(fā)展，基于微納結(jié)構(gòu)的二維平面光學(xué)成為新的關(guān)鍵方法。2022年，光電技術(shù)研究所[3]也基于偏振依賴的相位優(yōu)化原理，在毫米級較大尺寸上提出了一種無串?dāng)_的寬帶消色差全斯托克斯成像偏振方案，如圖2（b）所示。與單一偏振優(yōu)化方法相比，在9~12 μm范圍內(nèi)的任意偏振入射光下，該方案的平均串?dāng)_減小了30%以上，保證了偏振狀態(tài)的精確測量，有效消除了寬譜色差。

圖2 偏振“濾"光及會(huì)聚方案[2][3]

2.2 偏振復(fù)用

以金屬線柵和“濾光"型超構(gòu)表面為代表的微偏振片的能量利用率極限僅為50%，若要進(jìn)一步提高能量利用率，在光場的像素級空間壓縮能力的基礎(chǔ)上引入偏振復(fù)用的處理能力尤為關(guān)鍵。2018年，加州理工學(xué)院[4]基于介質(zhì)超表面提出了在X/Y、A/B、L/R三組偏振基上同時(shí)進(jìn)行復(fù)用和光場會(huì)聚的方案，如圖3（a）所示，并在以850 nm 為中心、半峰全寬為10 nm 的光譜范圍內(nèi)給出了全斯托克斯的偏振態(tài)表征結(jié)果：2×3超像元尺寸為9.6 μm×14.4 μm，能量利用率為60%-65%，突破了分焦平面偏振濾波探測中50%的理論測試效率極限。南京大學(xué)[5]結(jié)合傳輸相位和幾何相位提出了基于全介質(zhì)超表面的可見光全斯托克斯分焦平面偏振測量方案[如圖3（b）所示]，并在530 nm處進(jìn)行了全斯托克斯偏振驗(yàn)證。結(jié)果顯示，能量利用率超過了54%。

圖3 偏振復(fù)用及會(huì)聚方案[4][5]

2.3 功能性微結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)

基于超表面光場調(diào)控的偏振集成器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的優(yōu)化，如偏振特性、色散特性、傳輸效率等，這對數(shù)據(jù)庫規(guī)模和豐富性的要求呈指數(shù)級增長，同時(shí)這也使得嚴(yán)格依賴物理模型推導(dǎo)超構(gòu)表面的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)自由度和功能復(fù)雜性方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在多功能場景下難以滿足需求。近年來，人工智能輔助設(shè)計(jì)在光物理領(lǐng)域迅速滲透，突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限，為超構(gòu)表面設(shè)計(jì)提供了更加高效的途徑，可減少計(jì)算和實(shí)驗(yàn)資源的消耗。圖4展示了基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的正向和逆向設(shè)計(jì)框架[6]。將結(jié)構(gòu)參數(shù)（如幾何、材料等參數(shù)的數(shù)組形式）輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過仿真或?qū)嶒?yàn)獲得輸出的物理響應(yīng)。在訓(xùn)練過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于確定輸入和輸出之間的映射關(guān)系，而正向設(shè)計(jì)則利用該網(wǎng)絡(luò)預(yù)測給定結(jié)構(gòu)的物理響應(yīng)，這些物理響應(yīng)可用于數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)充。交換輸入和輸出數(shù)據(jù)并應(yīng)用類似的訓(xùn)練過程，預(yù)測能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物理響應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)這一逆向過程，可用于高效推理滿足目標(biāo)相位的器件結(jié)構(gòu)。

圖4 基于人工智能算法的超表面結(jié)構(gòu)正向及逆向設(shè)計(jì)框架[6]

2.4 高精度偏振重構(gòu)

受限于超表面結(jié)構(gòu)的色散作用以及微結(jié)構(gòu)的加工誤差，實(shí)際測試超表面結(jié)構(gòu)的偏振消光效果以及光譜分辨率效果不盡如人意，較難在寬譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)片上集成的高消光比器件。鑒于此，可在以下兩方面開展進(jìn)一步研究：首先，優(yōu)化器件的物理結(jié)構(gòu)，提升濾光/復(fù)用的聚焦效率及寬譜消色差效果，前者是基礎(chǔ)，而后者是亟待解決的重要問題；其次是對數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行創(chuàng)新，基于重構(gòu)算法提升信息還原能力，這是應(yīng)對挑戰(zhàn)與需求的必然選擇。在對集成器件全鏈路光場傳輸及光電轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用重構(gòu)技術(shù)來提高空間分辨率并降低噪聲干擾，可以實(shí)現(xiàn)對隱含信息的有效還原，這將為科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用提供更為精準(zhǔn)和全面的成像數(shù)據(jù)。在可重構(gòu)的光電探測器件中，光響應(yīng)測量和光特性提取被視為信息編碼和解碼過程。光電探測器充當(dāng)編碼器，將未知的高維物理量（光的固有物理性質(zhì)）轉(zhuǎn)換為探測器響應(yīng)輸出，通道讀取探測器攜帶有噪聲分量的輸出，破譯編碼的高維信息，如圖5所示[7]。器件的可重構(gòu)性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以有效解碼高維光響應(yīng)向量，從而降低器件的物理復(fù)雜性。

圖5 高維物理量重構(gòu)示意圖[7]

3、總結(jié)與展望

紅外探測技術(shù)利用物體自身的輻射進(jìn)行探測和成像，可在低光或無光環(huán)境下對目標(biāo)進(jìn)行檢測。若引入偏振維度，則可以在多個(gè)特征維度上對目標(biāo)和背景進(jìn)行區(qū)分，從而可以在復(fù)雜的背景下實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的目標(biāo)識別和特征提取。推動(dòng)基于微納結(jié)構(gòu)的片上紅外偏振成像器件的發(fā)展具有重要意義，未來的研究和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1）微偏振片的設(shè)計(jì)；2）集成器件的設(shè)計(jì)和加工；3）讀出數(shù)據(jù)后處理。分焦平面偏振成像技術(shù)為獲取更全面和高效的光學(xué)信息提供了重要手段，但若要在紅外波段實(shí)現(xiàn)高消光比和高能量利用率的成像和應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍存優(yōu)化空間。通過需求牽引和多方向融合設(shè)計(jì)，可為紅外偏振、光譜等微型光學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用提供新途徑。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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