浙大微納電子學院科研團隊ACS Nano發文——近紅外光偏振探測儀：超構表面助力儀器小型化和片上化

2020-12-18 浙大杭州科創中心

提起光的偏振，可能不少人都會覺得有點陌生，但它卻與我們的生活息息相關。

光的偏振態表徵了光在垂直於傳播方向的平面上的電場振蕩。監測光的偏振將在天文學、遙感、量子光學、醫學和生物學等領域發揮著重要作用。比如，觀看3D電影所佩戴的眼鏡就是利用光的偏振的原理來實現立體影像。

圖片來源：電影《頭號玩家》

目前，大部分的商用偏振探測儀通常體積龐大，然而對於民用的電子儀器而言，小型化、便捷化、高集成度、柔性化的需求反而比對其探測性能的需求更為迫切。此外光晶片技術的發展也迫切需要小型化和片上集成的光電或全光功能器件單元。因此小型化和片上集成的光偏振探測儀是目前的一大研究熱點。

在浙江大學微納電子學院俞濱教授帶領和指導下，以小型化和高集成度為主要目標，南京大學電子科學與工程學院王肖沐教授、王軍轉副教授同浙江大學微納電子學院徐楊教授合作報導了一個基於手性等離激元超構表面與石墨烯-矽光電探測器集成的紅外偏振探測儀。

這一探測儀由四個像素組成，每一個像素都由石墨烯/手性等離激元納米結構/矽組成。研究團隊利用等離激元納米結構的幾何手性和排布取向的區別使得其對光的圓偏振信息和線偏振信息分別實現提取。通過對四個像素的光電流的提取，可以得到光的強度和偏振信息（圖1）。

圖1.四像素無光學部件的片上偏振探測儀

科研人員用這一探測器嘗試了不同偏振態入射光的偏振測定（圖2），可以看到，該器件展示出了偏振測定功能。值得一提的是，這裡不需要像傳統的偏振探測儀一樣使用複雜的光學分光系統，光的偏振分辨和探測都在光電探測器上實現。也就是說這一四像素的光電探測器同時實現了光的兩個自由度的提取（強度和偏振）。這種可集成、小型化的實驗方案為探索大型儀器裝備的晶片化、便攜化提供了新的啟發思路。

圖2.偏振探測儀的偏振探測結果

近日，該成果以「Monolithic Full-Stokes Near-Infrared Polarimetry with Chiral Plasmonic Metasurface Integrated Graphene–Silicon Photodetector」為題發表在知名期刊ACS Nano上。浙江大學微納電子學院博士生李泠霏同學為論文第一作者。南京大學電子科學與工程學院王肖沐教授、王軍轉副教授和浙江大學微納電子學院徐楊教授為該論文的共同通訊作者。該項目還得到了浙江大學微納電子學院俞濱教授、德州農工大學Shoufeng Lan教授和史丹福大學Mark L.Brongersma教授等的支持。該項研究得到浙江大學杭州國際科創中心攻堅項目計劃、人工微結構科學與技術協同創新中心和浙江大學微納加工中心、矽材料國家重點實驗室和現代光學儀器國家重點實驗的支持和幫助。得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研專項資金、浙江省屬基本科研業務費專項資金、浙江省自然科學基金等項目的資助。


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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00724

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