【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米光子学、光电探测器，具体涉及基于超表面和像元台面协同作用的分焦平面偏振探测器。
技术介绍
1、红外探测是指将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的技术过程。相较于可见光和近红外探测，红外探测利用物体的自身辐射，具有全天时、抗干扰性强等独特优势，可在低照度或者黑暗环境下进行目标探测，在军事、民用及医疗等领域均有重要作用。
2、红外偏振探测技术是一种新型光电探测技术，通过分析红外辐射的偏振特性来获取目标信息。红外偏振探测技术基于光波的偏振特性，能在强度探测的基础上获取目标红外辐射光波的偏振特性，可以反映其介质材料、表面形貌和理化性质。传统的偏振探测技术包括分时、分振幅和分孔径方案，存在体积大、系统复杂、稳定性低等缺点。
3、基于轻量化、集成度高、稳定性高、实时全偏振探测等需求，基于像素级偏振敏感结构的分焦平面(dofp)偏振集成探测方案也成为了新一代红外探测技术的重点发展方向。基于像素级偏振敏感结构的分焦平面是一种高效的偏振成像技术，它通过在相机的焦平面上集成微小的偏振元件阵列来实现对场景偏振特性的捕获。其能够同时获取多个偏振态的信息，从而极大地提高了成像速度和精度。
4、但由于红外光波波长与吸收像元的尺寸处于同一量级，简单将像素级偏振敏感微纳结构集成在传统像元之上，衍射效应会致使临近像元间的正交信息接收受到严重干扰，色散效应也导致难以在宽谱段上均能实现高效率分光和偏振消光。红外探测本就是弱信号，若由于色散效应或者微结构能量损失容易导致能量利用率低且偏振区分度低，限制其应用。得益于
5、分焦平面偏振探测方案中，尤其在红外波段，由于像素尺寸与波长相当，临近像元间信号串扰较大，难以高效抑制，因此偏振消光比提升较难；现有的基于平面微纳结构的偏振/光谱功能层主要聚焦在消色差、或单色全偏振、或宽谱部分偏振、或较短波长或者大尺寸透镜的优化，鲜有从集成器件的角度对平面光学功能层进行协同优化，难以在红外小像素尺寸的分焦平面探测器中进行集成高效应用。对于红外小像素尺寸的分焦平面探测器而言，其对光学功能层的面积、厚度、重量以及最重要的性能指标都有着极其严格的要求。在这种背景下，传统的针对大尺寸或单波长优化的光学元件难以直接应用于小型化的红外探测系统中。
6、因此，如何解决现有技术中的信号串扰、偏振消光比提升困难的问题，且提供一种提高偏振探测的精度、提高其性能及应用范围是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，针对现有技术中的问题，提出基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器。
2、为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
3、一种基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，包括：
4、超表面结构，选用像素级全斯托克斯偏振敏感的超表面结构，包括阵列分布的若干超表面结构单元，用于初步的偏振解耦合和定向汇聚；
5、与所述超表面结构像素级配准的焦平面像元阵列，包括若干像元组成的多元平面阵列，每个像元上设有台面；
6、焦平面像元阵列的台面的边长为超表面结构单元所汇聚光斑的半高全宽的2-3倍范围，以兼顾每个像元对光场的能量利用效率，抑制非汇聚中心区域甚至临近像元的光信号串扰，在超表面结构偏振解耦合的基础上进一步显著提升偏振消光比。
7、在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
8、作为本专利技术的优选技术方案：所述超表面结构包括全介质基底、在全介质基底上的超表面结构单元，超表面结构单元为通过微纳加工形成微纳尺度的纳米柱阵列，每2 x 1个超表面结构单元组成正交偏振复用子单元，实现偏振态调控和分光汇聚；每一个焦平面像元与其正上方的超表面结构相匹配，构成一个子单元，每2 x 3个子单元组成一个超像元结构，实现6个偏振态的全斯托克斯调控。
9、作为本专利技术的优选技术方案：每个正交偏振复用子单元分别实现0度/90度线偏振、45度/135度线偏振、左旋/右旋圆偏振光的分光和汇聚作用，汇聚的目标焦点分别位于与2 x 1单元匹配的两个像元的吸收区的中心位置；
10、在每个正交偏振复用子单元中，所需相位的空间分布为：
11、
12、其中，为透镜平面内任一空间位置，为透镜焦点在焦平面内的空间位置，为工作波长，为目标焦长。
13、作为本专利技术的优选技术方案：纳米柱阵列中的各纳米柱采用各向异性结构，以对不同偏振产生不同的相位调控效果，
14、在目标工作波段对纳米柱进行消色差处理，
15、如目标工作波段为λ∈{λ_min,λ_max }，将中心波长λ_cen所需相位视为基础相位，目标工作波段边界的相位差视为色散相位，两者同时满足即可确保超原子同时满足各波长的相位。
16、纳米柱基底的边长为p，设置为与工作波长的1/2相当，选用六边或正方形阵列排布；
17、纳米柱的高度为h，设置为与工作波长相当；
18、纳米柱采用椭圆或矩形，对每个纳米柱均要进行目标工作波段的多频率扫描，以提取基础相位和色散相位。
19、作为本专利技术的优选技术方案：超表面结构在非微结构一侧引入增透界面，增透界面为增透微结构或者光学增透薄膜，用于减少光能在传输过程中的反射损失。
20、作为本专利技术的优选技术方案：台面为像元所在的半导体凸起结构，像元呈方形，台面呈方形。
21、与现有技术相比，本专利技术一种基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器具有以下有益效果：利用一级的像素级全斯托克斯偏振敏感的超表面结构，实现初步的偏振解耦合和定向汇聚，组合利用二级的焦平面像元阵列的台面尺寸设置为超表面结构所汇聚光斑的半高全宽的2-3倍范围，兼顾每个像元对光场的能量利用效率，以及抑制非汇聚中心区域甚至临近像元的光信号串扰，在一级偏振解耦合的基础之上进一步显著提升偏振消光比，解决了一级小尺寸超表面结构由于相位不连续以及微纳加工误差引起的偏振消光比难以达到应用水平，尤其工作波长在红外波段及以上，提供了一种可以突破小尺寸超表面性能限制的协同设计方法，突破单体超表面能达到的偏振消光比极限，实现应用级别的高偏振消光比。
22、本专利技术中，超表面结构与焦平面像元阵列之间的像素级对准，确保了器件的片上集成能力，有助于提高器件探测性能的稳定性；通过超表面和像元台面协同设计，将普通微透镜超表面的“滤”光模式转换为分光模式，更有效地分配和利用入射光的能量，减少能量损失，显著提升了能量利用效率；通过超表面正交偏振复用子单元将不同偏振态的光分离并汇聚至对应像元的中心区域，实现高效的像素级聚光，减少了相邻像元之间的干扰，提高了偏振探测准确性；基于2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：包括：
2. 如权利要求1所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：所述超表面结构包括全介质基底、在全介质基底上的超表面结构单元，超表面结构单元为通过微纳加工形成微纳尺度的纳米柱阵列，每2 X 1个超表面结构单元组成正交偏振复用子单元，实现偏振态调控和分光汇聚；每一个焦平面像元与其正上方的超表面结构相匹配，构成一个子单元，每2 X 3个子单元组成一个超像元结构，实现6个偏振态的全斯托克斯调控与探测。
3. 如权利要求2所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：每个正交偏振复用子单元分别实现0度/90度线偏振、45度/135度线偏振、左旋/右旋圆偏振光的分光和汇聚作用，汇聚的目标焦点分别位于与2 X 1单元匹配的两个像元的吸收区的中心位置；
4.如权利要求2所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：纳米柱阵列中的各纳米柱采用各向异性结构，以对不同偏振产生不同的相位调控效果；
5.如权利要求
6.如权利要求1所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：台面为像元所在的半导体凸起结构，像元呈方形，台面呈方形。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：包括：
2. 如权利要求1所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：所述超表面结构包括全介质基底、在全介质基底上的超表面结构单元，超表面结构单元为通过微纳加工形成微纳尺度的纳米柱阵列，每2 x 1个超表面结构单元组成正交偏振复用子单元，实现偏振态调控和分光汇聚；每一个焦平面像元与其正上方的超表面结构相匹配，构成一个子单元，每2 x 3个子单元组成一个超像元结构，实现6个偏振态的全斯托克斯调控与探测。
3. 如权利要求2所述的基于超表面和像元台面协同设计的分焦平面偏振探测器，其特征在于：每个正交偏振复用子单元分别实现0度/90度线偏振、45度...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪玲芳，周易，陈建新，蔡汶利，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：
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