【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光探测器，具体涉及一种光轨道角动量的直接光电探测器及其探测方法。
技术介绍
1、基于第二类外尔半金属二碲化钨(wte2)和钽铱碲(tairte4)的光轨道角动量(orbital angular momentum,oam)拓扑荷直接表征的最新进展带来了光轨道角动量的直接电读出和焦平面阵列器件的片上集成的发展。基于光的螺旋相位梯度驱动的轨道光电流效应，在近红外(～1微米)和中红外(～4微米)波段实现了直接光轨道角动量检测。轨道角动量模式可以通过围绕光束轴的流动的电流的量子化取值区分。目前，已经发现的具有轨道光电流响应的材料仅限于第二类外尔半金属，特别的，在中红外波段用于轨道角动量探测的唯一已知材料是钽铱碲，其外尔节点附近的大贝里曲率增强了钽铱碲在中红外波段的轨道光电流响应。然而，二碲化钨和钽铱碲在环境条件下都不稳定。特别的，对于中红外波段的光轨道角动量探测，其探测材料钽铱碲是一种含有难熔元素ta和ir的三元合金材料，这使得大面积外延生长变得困难，并限制了其进一步用作焦平面阵列和片上集成。此外，钽铱碲的轨道光电流响应的信噪比仍然较低，限制了其结合快速圆偏振调制技术的高速应用。要推进轨道角动量直接光电探测器件的大规模集成发展，关键在于扩展轨道角动量敏感材料家族，确定环境条件下稳定的、可以在晶片上大面积外延生长并与当前的互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,cmos)技术兼容的候选材料。
技术实现思路
1、针对以上
2、本专利技术的一个目的在于提出一种光轨道角动量的直接光电探测器。
3、本专利技术的光轨道角动量的直接光电探测器包括：基底、多层石墨烯、第一探测电极、第二探测电极和接触电极；其中，基底的表面不导电；在基底的表面形成多层石墨烯；在多层石墨烯的表面设置第一探测电极、第二探测电极和接触电极，第一和第二探测电极与多层石墨烯接触；第一和第二探测电极的形状分别为两个半径不同的同心的部分圆环形，第一探测电极和第二探测电极所占圆环形的比例相同，且中心线重合；第一探测电极位于第二探测电极的外侧，第一探测电极的内径大于第二探测电极的外径；第一探测电极和第二探测电极的一端分别通过接触电极连接至外部的检测电路；
4、携带轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度；
5、携带轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束垂直照射到多层石墨烯上，且圆环形的光束位于第一探测电极与第二探测电极之间，光束携带垂直于光束传播方向的电场和平行于光束传播方向的磁场；携带轨道角动量的光束垂直照射到多层石墨烯，产生平行于多层石墨烯平面的电场和垂直于多层石墨烯平面的磁场，即面内电场和面外磁场；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有空间梯度的面内电场和面外磁场共同引起多层石墨烯中载流子的空间不平衡，基于多层石墨烯的二维线性能带结构，以及高费米速度和长载流子弛豫时间的特点，通过载流子显著的带内运动与带间跃迁，在多层石墨烯中产生强烈的面内净电流，面内净电流具有垂直于螺旋相位梯度和平行于螺旋相位梯度的两个方向响应，即径向光电流响应和角向光电流响应；左旋圆偏振光激发下的光电流响应与右旋圆偏振光激发下的光电流响应差值，是径向光电流响应的圆偏依赖成分，光轨道角动量的量子数和符号，与径向光电流响应的圆偏依赖成分大小和方向有关，光轨道角动量的量子数与径向光电流响应的圆偏依赖成分成正比，光轨道角动量的量子数符号反转，径向光电流响应的圆偏依赖成分的方向也反向；将携带轨道角动量的光束的偏振态由左旋圆偏振切换为右旋圆偏振，或者将携带轨道角动量的光束的偏振态由右旋圆偏振切换为左旋圆偏振，径向光电流响应发生变化；第一探测电极和第二探测电极分别收集左右旋圆偏振光激发下的垂直于螺旋相位梯度方向的径向光电流响应，得到左右旋圆偏振光激发下的光电流响应差值即径向光电流响应的圆偏依赖成分，并转化为电信号输出到外部的检测电路；外部的检测电路去除电信号中的电学噪声得到径向光电流成分，从径向光电流响应的圆偏依赖成分直接获得光轨道角动量的信息，通过径向光电流响应的圆偏依赖成分的大小和方向，获得光轨道角动量的量子数的大小和符号；多层石墨烯为零带隙材料，探测光谱范围广，在室温下即具有灵敏的响应度，在低温下也能工作，并且不需要也不能外加偏压，从而实现在环境温度下探测到光谱范围广且响应度灵敏的光轨道角动量的信息。
6、基底包括衬底和不导电层，在下层的衬底的上表面形成不导电层。
7、在基底的表面形成多层石墨烯采用在基底的表面设置已经制备好的多层石墨烯纳米片，或者在基底上外延生长多层石墨烯，多层石墨烯的层数为5～50。
8、第一探测电极、第二探测电极和接触电极采用单层的导电金属层；或者包括两层：过渡金属层和导电金属层，在过渡金属层表面形成导电金属层，其中过渡金属层的作用为使得导电金属层更牢固的粘在多层石墨烯的表面。导电金属层的材料为au、al或cu。
9、第一和第二探测电极的部分圆环形占整个圆环形的1/4～3/4。
10、在第一探测电极和第二探测电极的两端分别设置接触电极，其中一端用于连接外部的检测电路，另一端用于形成两端对称的接触电极，进一步限制第一和第二探测电极的电流收集范围，避免杂散光影响测量。
11、第一和第二探测电极的宽度为2～6微米；第一探测电极与第二探测电极之间的距离为4～12微米。
12、外部的检测电路包括：前置放大器、锁相放大器、光学斩波器和四分之一波片和计算机；其中，第一探测电极和第二探测电极通过接触电极分别连接到前置放大器；前置放大器连接至锁相放大器；锁相放大器连接至计算机；光学斩波器置于光路中以设定的调制频率对光束进行调制，并将调制频率的参考信号输入锁相放大器；四分之一波片则置于光路中，通过旋转改变入射光束的偏振状态；由第一探测电极和第二探测电极收集的径向光电流响应经过前置放大器放大后输入至锁相放大器中，锁相放大器根据光学斩波器提供的调制频率提取对应的径向光电流响应，进而将净电流与电学噪声分开，并将得到的净电流输入计算机；通过旋转四分之一波片改变入射光束的偏振态，分别获得左旋圆偏振和右旋圆偏振激发下的径向光电流的净电流大小，进而获得径向光电流响应的圆偏依赖成分，通过径向光电流响应的圆偏依赖成分，获得轨道角动量的量子数的大小和符号。
13、本专利技术的另一个目的在于提出一种光轨道角动量的直接光电探测器的焦平面探测阵列。
14、本专利技术的光轨道角动量的直接光电探测器的焦平面探测阵列包括：基底、多层石墨烯、电极结构阵列和物镜；其中，基底的表面不导电；在基底的表面形成多层石墨烯；在多层石墨烯的表面设置电极结构阵列；电极结构阵列包括多个周期性二维排列的电极结构单元，每一个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光轨道角动量的直接光电探测器，其特征在于，所述直接光电探测器包括：基底、多层石墨烯、第一探测电极、第二探测电极和接触电极；其中，基底的表面不导电；在基底的表面形成多层石墨烯；在多层石墨烯的表面设置第一探测电极、第二探测电极和接触电极，第一和第二探测电极与多层石墨烯接触；第一和第二探测电极的形状分别为两个半径不同的同心的部分圆环形，第一探测电极和第二探测电极所占圆环形的比例相同，且中心线重合；第一探测电极位于第二探测电极的外侧，第一探测电极的内径大于第二探测电极的外径；第一探测电极和第二探测电极的一端分别通过接触电极连接至外部的检测电路；轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度；
2.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述基底包括衬底和不导电层，在下层的衬底的上表面形成不导电层。
3.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，在基底的表面形成多层石墨烯采用在基底的表面设置已经制备好的多层石墨烯纳
4.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述第一探测电极、第二探测电极和接触电极采用单层的导电金属层；或者包括两层：过渡金属层和导电金属层，在过渡金属层表面形成导电金属层，其中过渡金属层的作用为使得导电金属层更牢固的粘在多层石墨烯的表面。
5.如权利要求4所述的直接光电探测器，其特征在于，所述导电金属层的材料为Au、Al或Cu。
6.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述第一和第二探测电极的部分圆环形占整个圆环形的1/4～3/4。
7.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述在第一探测电极和第二探测电极的两端分别设置接触电极，其中一端用于连接外部的检测电路，另一端用于形成两端对称的接触电极，进一步限制第一和第二探测电极的电流收集范围，避免杂散光影响测量。
8.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述外部的检测电路包括：前置放大器、锁相放大器、光学斩波器和四分之一波片和计算机；其中，第一探测电极和第二探测电极通过接触电极分别连接到前置放大器；前置放大器连接至锁相放大器；锁相放大器连接至计算机；光学斩波器置于光路中以设定的调制频率对光束进行调制，并将调制频率的参考信号输入锁相放大器；四分之一波片则置于光路中，通过旋转改变入射光束的偏振状态；由第一探测电极和第二探测电极收集的径向光电流响应经过前置放大器放大后输入至锁相放大器中，锁相放大器根据光学斩波器提供的调制频率提取对应的径向光电流响应，进而将净电流与电学噪声分开，并将得到的净电流输入计算机；通过旋转四分之一波片改变入射光束的偏振态，分别获得左旋圆偏振和右旋圆偏振激发下的径向光电流的净电流大小，进而获得径向光电流响应的圆偏依赖成分，通过径向光电流响应的圆偏依赖成分，进而获得径向光电流响应的圆偏依赖成分，通过径向光电流响应的圆偏依赖成分，获得轨道角动量的量子数的大小和符号。
9.一种如权利要求1所述的光轨道角动量的直接光电探测器的焦平面探测阵列，其特征在于，所述焦平面探测阵列包括：基底、多层石墨烯、电极结构阵列和物镜；其中，基底的表面不导电；在基底的表面形成多层石墨烯；在多层石墨烯的表面设置电极结构阵列；电极结构阵列包括多个周期性二维排列的电极结构单元，每一个电极结构单元包括第一探测电极、第二探测电极和接触电极，第一和第二探测电极与多层石墨烯接触，第一和第二探测电极的形状分别为两个半径不同的同心的部分圆环形，第一探测电极和第二探测电极所占圆环形的比例相同，且中心线重合，第一探测电极位于第二探测电极的外侧，第一探测电极的内径大于第二探测电极的外径，第一探测电极和第二探测电极的一端分别通过接触电极连接至外部的检测电路的一个通道；电极结构阵列的上方设置物镜，电极结构阵列位于物镜的焦平面；
10.一种如权利要求1所述的光轨道角动量的直接光电探测器的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种光轨道角动量的直接光电探测器，其特征在于，所述直接光电探测器包括：基底、多层石墨烯、第一探测电极、第二探测电极和接触电极；其中，基底的表面不导电；在基底的表面形成多层石墨烯；在多层石墨烯的表面设置第一探测电极、第二探测电极和接触电极，第一和第二探测电极与多层石墨烯接触；第一和第二探测电极的形状分别为两个半径不同的同心的部分圆环形，第一探测电极和第二探测电极所占圆环形的比例相同，且中心线重合；第一探测电极位于第二探测电极的外侧，第一探测电极的内径大于第二探测电极的外径；第一探测电极和第二探测电极的一端分别通过接触电极连接至外部的检测电路；轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度；
2.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述基底包括衬底和不导电层，在下层的衬底的上表面形成不导电层。
3.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，在基底的表面形成多层石墨烯采用在基底的表面设置已经制备好的多层石墨烯纳米片，或者在基底上外延生长多层石墨烯，多层石墨烯的层数为5～50。
4.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述第一探测电极、第二探测电极和接触电极采用单层的导电金属层；或者包括两层：过渡金属层和导电金属层，在过渡金属层表面形成导电金属层，其中过渡金属层的作用为使得导电金属层更牢固的粘在多层石墨烯的表面。
5.如权利要求4所述的直接光电探测器，其特征在于，所述导电金属层的材料为au、al或cu。
6.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述第一和第二探测电极的部分圆环形占整个圆环形的1/4～3/4。
7.如权利要求1所述的直接光电探测器，其特征在于，所述在第一探测电极和第二探测电极的两端分别设置接触电极，其中一端用于连接外部的检测电路，另一端用于形成两端对称的接触电极，进一步限制第一和第二探测电极的电流收集范围...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙栋，杨德鸿，赖佳伟，范子璞，徐畅，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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