基于人工微结构的光谱选择性红外热敏探测器

红外热敏探测器不管是在军事还是在民用领域都有着非常重要的应用。传统的红外热敏探测器主要采用宽光谱吸收的方式,这虽然赋予了器件宽带响应的特点,但同时也会因为引入了不必要的辐射热导而增加本底噪声,从而限制了器件的探测性能极限。研究表明,具有窄带选择性吸收的热敏探测器在特定的条件下可以突破这一极限。经过精心设计的人工微纳结构不但可以实现波长选择性吸收来降低器件的辐射热导,而且由于其具有亚波长特性,还可以大大降低器件的热容,从而为实现高性能的红外热敏探测器提供了可能性。本文在简单介绍红外探测器基本概念的基础上,聚焦测辐射热计、温差电偶和热释电探测器件,回顾总结基于人工微结构体系的光谱选择性红外热敏探测器的相关研究进展。

柔性可弯曲人工超构材料太赫兹波超吸收研究

近年来,由亚波长人工微结构单元组成的超构材料,因其具有自然材料所不具备的奇特物理性质,吸引了人们的广泛关注.其中最有趣的应用之一就是利用亚波长人工微结构增强对电磁波的吸收.设计并实现了一种人工超构材料柔性可弯曲的高性能太赫兹吸收器.为了实现最优的结构设计,分别对器件的结构周期、金属条宽度、介质层厚度和材料光学性质等关键结构及材料参数进行了系统优化.实验结果显示在频率3 THz附近器件峰值吸收率高达99%,与数值模拟结果相吻合.

基于等离子体共振1～10μm波段内可调节的双波段超吸收研究

亚波长人工超构材料可以实现特定波长的近完美吸收,在红外光电器件应用中能够克服传统红外材料吸收效率低、厚度较大、工作波长受限于带隙等缺陷.本文利用金属/介质/金属结构构造了一种可大面积制备的亚波长结构,可以实现1-10μm波段内的双波段红外超吸收.通过时域有限差分法模拟和实验分析,我们认为该吸收器高频的吸收峰,主要来源F-P共振干涉增强吸收;而低频红外波段的吸收峰,主要得益于电偶极共振和磁共振模式的激发.利用退火工艺调节上层金颗粒的大小,可以有效地调节两个吸收峰的位置.

基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展

电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要,长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一.本文简略回顾了传统的减反的理论与方法;侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展,主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合,传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿,超构材料诱导金属透明,人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作;探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.

铝基平面超构材料可见-近红外光超吸收研究

增强可见-近红外光吸收在光电信号转换、探测、通信及传感等众多领域具有重要应用潜力。本文基于吉尔-图诺伊斯谐振腔(Gires-Tournois resonator)共振吸收原理,利用Al/Al_(2)O_(3)/Al三层膜结构制备了可见到近红外波段全铝基平面薄膜堆栈型超构吸收器。通过合适的参数优化选取,实现了吸收峰位连续可调。吸收峰值接近100%,变角度反射光谱显示器件对入射角度不敏感,理论数值模拟计算结果与实验结果相互吻合。完美吸收峰在500 nm附近的吸收器在532 nm激光照射下快速升温,最高温度可达55.4℃,表明该结构在光热转化领域的潜在应用。

基于人工微结构的大面积高效率近红外吸收器

基于人工微结构超材料的先进理念,设计制备工作波长可调的近红外大面积吸收器.器件制备采用纳米微球化学自组装方法制备顶层金属微结构,该方法可制备大面积样品.实验结果显示,吸收器在近红外波段峰值吸收率超过99%,吸收波长可以通过结构单元几何尺寸调节.理论模拟结果不但与实验测量的数据相一致,而且很好地阐述了器件高效光吸收的物理机理.

基于深亚波长双层媒质的钙钛矿量子点荧光增强

近年来,利用金属纳米结构表面等离激元共振提高半导体材料的发光效率取得了重要进展,但是相关结构体系面临着加工技术复杂、重复性差等缺点。本文报道了一种新型超薄、大面积、共振可调的平面双层纳米媒质用于增强量子点发光,其结构由深亚波长厚度、高吸收率特性的氧化铜(CuO)薄膜和金(Au)薄膜构成。实验结果显示,通过改变CuO薄膜厚度可以灵活调节CuO/Au双层堆栈结构的反射光谱,以其为基底旋涂CsPbBr_(3)钙钛矿量子点后与裸石英旋涂CsPbBr_(3)量子点参考样品相比实现了最大7倍的荧光发光增强。理论分析表明,荧光增强效应与强光学非对称法布里-珀罗薄膜干涉引起的高效光吸收和局域场增强导致的自发辐射速率加快相关。

外延阻挡杂质带探测器的抗反射

传统外延阻挡杂质带探测器由于其材料物性和特殊的结构设计存在很强的反射,这些能量损失非常不利于器件的探测性能。报道了一种类光栅双层超构表面微结构阵列,并将此人工微结构引入到外延阻挡杂质带红外探测器以抑制对入射光的反射。实验结果显示,具有超构表面微结构阵列的器件在波长30μm处反射率低于3%,在25.3∼32.2μm波段范围内反射率低于20%。同时,该超表面减反微结构对入射光的偏振还具有很强的选择性,符合第四代焦平面发展需求。

亚波长薄膜堆栈超构材料:理论及应用

亚波长薄膜堆栈超构材料,作为超构材料领域一个特殊的组成部分,因其具有亚波长厚度、无需复杂光刻加工以及可低成本大面积制备等诸多优点,吸引了人们越来越多的关注。本文聚焦回顾近些年亚波长薄膜堆栈超构材料相关研究进展,首先简要回顾了多层薄膜堆栈体系的基础理论研究方法,侧重介绍了亚波长薄膜堆栈超构材料的新理论新设计;接着,着重介绍了基于亚波长薄膜堆栈超构材料的若干典型应用,具体包括结构色调控、光致发光增强、窄带红外光源、红外伪装以及其他一些有趣应用;最后,探讨并展望了亚波长薄膜堆栈超构材料领域未来的发展方向以及其可能遇到的问题挑战。

基于纳米压印的超材料近红外吸收器的制备研究

超材料吸收器的高吸收率源于表面金属颗粒与介质层之间产生的局域等离激元共振以及由金属颗粒-介质层-金属反射层构成的微腔所导致的共振吸收。其吸收特性与金属颗粒的尺寸、形貌和介质层的材料和厚度密切相关。设计优化了一个在近红外波段1.2μm处具有近完美吸收的超材料吸收器。以该设计为蓝图,利用纳米压印技术制备了一系列具有不同介质层厚度的器件,并利用红外反射谱定量研究了这些器件的吸收特性。实验结果证实,用纳米压印技术制备的超材料器件具有工艺可靠性好、加工精度高等优点。实验测得的吸收率变化趋势与理论预期相符,吸收率较高。

超构表面高效调控电磁波

实现自由调控电磁波不仅具有重要的科学研究意义,而且是通讯、能源、国防等领域的迫切需求。为了解决自然材料调控电磁波能力受限的问题,人们提出了人工超构材料这一新概念,实现了负折射、光学隐身等奇异的电磁效应。然而,经过多年的发展,超构材料仍存在结构复杂、损耗偏高、难以集成调谐等挑战。最近,本团队与国际同行一起提出了超构表面的新概念。超构表面基于电磁波在平面微结构上散射时获得的界面相位突变,充分利用人工微结构的"排列序构"这一自由度,实现了对电磁波振幅、相位、偏振及波前分布的有效调控,克服了超构材料遇到的瓶颈问题。本文主要回顾了本团队在偏振调控、波前调控及动态调控等方面开展的创新性研究。

高效信号辐射源和探测器件

本文通过信号辐射源和探测器件的国内外研究现状,从太赫兹/长波红外器件设计、仿真与测试技术、太赫兹/长波红外材料生长和器件研制、毫米波射频器件、真空/超导电子器件、人工电磁材料和器件等5个方面分析了信号辐射源和探测器件的发展趋势,最后总结了需重点开展研究的科学问题.