超構(gòu)材料紅外探測(cè)芯片的研究進(jìn)展*

易 飛

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院·武漢·430074)

0 引 言

超構(gòu)材料(Metamaterials)，是電磁學(xué)的一個(gè)研究領(lǐng)域，它是由亞波長(zhǎng)單元周期或非周期排列而組成的人工結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元及其排布靈活地操控電磁波，帶來(lái)全新的物理現(xiàn)象和應(yīng)用[1]。而超構(gòu)材料中的亞波長(zhǎng)單元(Subwavelength Element)，實(shí)質(zhì)是常見的電磁波天線(Electromagnetic Antenna)。例如：Pendry等利用銅質(zhì)開口諧振環(huán)(Split Ring Resonator)的陣列實(shí)現(xiàn)了頻率在10 GHz附近且具有負(fù)等效磁導(dǎo)率的超構(gòu)材料，而其中的銅質(zhì)開口諧振環(huán)，本質(zhì)上為微波天線(Microwave Antenna)[2]。Capasso等于2011年在《Science》期刊發(fā)文提出廣義折反射定律時(shí)，所采用的V型金天線(gold V-antennas)，則是工作波長(zhǎng)為8 μm的金屬電磁天線[3]。

天線，是電磁學(xué)研究中最為完善、應(yīng)用也最廣泛的一個(gè)概念，它的基本功能就是實(shí)現(xiàn)自由空間電磁波與局域電磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換，并調(diào)控電磁波的頻率、偏振態(tài)及相位等參量，如圖1(a)所示。天線的尺度往往小于一個(gè)工作波長(zhǎng)。例如，常見的半波偶極子天線的長(zhǎng)度為工作波長(zhǎng)的一半，因此其符合“亞波長(zhǎng)單元”的定義。

單個(gè)天線對(duì)電磁波的操控能力是有限的，為了獲得對(duì)電磁波更強(qiáng)大的調(diào)控能力，對(duì)天線陣列(Antenna Array)的研究也就構(gòu)成了電磁學(xué)中的一個(gè)重要的組成部分。因此，超構(gòu)材料可被理解為電磁天線的陣列，而超構(gòu)材料對(duì)電磁波的操控能力，則來(lái)源于電磁天線及其陣列在與電磁波交互作用過(guò)程中對(duì)波長(zhǎng)、偏振態(tài)、相位等電磁波參量的調(diào)控作用[4-5]。

天線對(duì)電磁波的操控能力，服從麥克斯韋方程組描述的物理規(guī)律，而麥克斯韋方程組的適用范圍涵蓋了從射頻、微波、太赫茲、紅外到可見光的整個(gè)電磁波譜。因此，天線和超構(gòu)材料可以在整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)自由操控電磁波。例如，在微波頻段，有微波天線和微波超構(gòu)材料[6]，在光頻段則有光學(xué)天線[7-8]和光學(xué)超構(gòu)材料[9]，如圖1(b)～(e)所示。用于構(gòu)建超構(gòu)材料的材料，可以是金屬、介質(zhì)或半導(dǎo)體等。而超構(gòu)材料的運(yùn)用模式，則包含透射式、反射式和吸收式等，如圖2所示。例如，基于“金屬-介質(zhì)-金屬”結(jié)構(gòu)的偏振選擇型超構(gòu)材料紅外吸收體是一種吸收式超構(gòu)材料，具有調(diào)控電磁波波長(zhǎng)和偏振態(tài)的功能[10-12]；而基于納米介質(zhì)波導(dǎo)陣列的可見光消色差超構(gòu)材料透鏡，則是一種透射式的超構(gòu)材料，具有調(diào)控電磁波相位(波前)的功能[13-14]。

(a)電磁天線的基本功能是實(shí)現(xiàn)自由空間電磁波與局域電磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換，并調(diào)控電磁波的頻率、偏振態(tài)及相位等參量

(b)微波頻段的電磁天線

(c)光頻段的電磁天線

(d)用于微波波束整形的反射式微帶天線陣列

(e)用于中紅外頻段波前調(diào)控的電磁超構(gòu)表面圖1 電磁天線及其陣列Fig.1 Electromagnetic antennas and antenna arrays

圖2 電磁超構(gòu)材料的工作波長(zhǎng)、組成材料、參量調(diào)控功能及運(yùn)用模式Fig.2 Working wavelengths, constituent materials, functions in tailoring electromagnetic wave parameters and device operation modes of metamaterial

天線和超構(gòu)材料的制備方法，大體可以分為自頂向下(top-down)和自底向上(bottom-up)兩種工藝路線。例如，采用紫外光刻、電子束曝光、激光直寫、納米壓印等方式定義亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的圖案，并結(jié)合薄膜生長(zhǎng)、金屬剝離、干/濕法刻蝕等工藝形成亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，就屬于自頂向下的工藝路線。而采用化學(xué)合成、自組裝等方式形成亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，則屬于自底向上的工藝路線。由于自頂向下的工藝路線可以在亞波長(zhǎng)尺度上精準(zhǔn)定義天線的幾何結(jié)構(gòu)及單元陣列的排布方式，并且與激光器、探測(cè)器等集成光電器件的流片工藝兼容，也可以實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的大規(guī)模制備，因此本文主要關(guān)注自頂向下的工藝路線。

超構(gòu)材料對(duì)電磁波的強(qiáng)大操控能力，使其成為了構(gòu)建各種新型電磁參量調(diào)控元件的基礎(chǔ)。由自頂向下工藝路線帶來(lái)的CMOS工藝兼容性，和晶圓級(jí)的大規(guī)模制備能力，又使超構(gòu)材料與各種光電器件的集成成為了可能。與傳統(tǒng)光電器件相比，超構(gòu)材料集成式光電器件具有更強(qiáng)大的電磁參量分辨與調(diào)控能力，對(duì)透鏡、濾光片、偏振片等分立光學(xué)元件的依賴程度更低，與之相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)也更緊湊、更輕巧[13, 15-17]。

本文將從分析超構(gòu)材料對(duì)電磁波的頻率(波長(zhǎng))、偏振態(tài)與相位(波前)等參量的調(diào)控與分辨能力入手，結(jié)合紅外探測(cè)芯片及成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹超構(gòu)材料與紅外探測(cè)芯片結(jié)合，在雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進(jìn)成像模式中的應(yīng)用，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展。

1 電磁波及其參量調(diào)控

電磁波，是由同步振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的橫波，它是人類獲取外在世界信息的基本途徑之一。比如，人眼可以通過(guò)接收可見光頻段(400nm～700nm)的電磁波獲取目標(biāo)的圖像信息；而紅外探測(cè)芯片，則進(jìn)一步拓展了人類在紅外頻段獲取電磁信息的能力。這里的紅外頻段包括：0.9μm～1.7μm(短波紅外)、3μm～5μm(中波紅外)和8μm～14μm(長(zhǎng)波紅外)。如圖3(a)所示，在電磁波譜的每一個(gè)頻段(如可見光、紅外、太赫茲、微波、射頻等)，人們都構(gòu)建了相應(yīng)的信息獲取技術(shù)。

強(qiáng)度(振幅)、頻率(波長(zhǎng))、偏振態(tài)與相位(波前),是描述電磁波的基本物理參量。振幅描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的絕對(duì)值大小，而強(qiáng)度正比于振幅的平方，表征了電磁波攜帶的功率大小；頻率描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)作周期性振蕩的快慢程度，它與波長(zhǎng)成反比；相位描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)在周期振蕩過(guò)程中所處的時(shí)間進(jìn)程，而空間中相位相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面，即為波前。圖3(b)顯示了電磁波的兩種常見的波前：平面波前和球面波前。偏振態(tài)則描述了電場(chǎng)矢量與磁場(chǎng)矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的變化狀態(tài)。例如，圖3(c)、圖3(d)分別顯示了電磁波的兩種典型偏振態(tài)——線偏振態(tài)和圓偏振態(tài)[18]。

(a)電磁頻譜

(b)平面電磁波與球面電磁波的波前(等相位面)

(c)電磁波的偏振態(tài):線偏振

(d)電磁波的偏振態(tài):圓偏振圖3 電磁波及其參量Fig.3 Electromagnetic waves and their parameters

電磁波的上述參量在獲取目標(biāo)電磁信息的過(guò)程中扮演了重要的角色。例如，紅外熱像儀通過(guò)物體在特定紅外頻段中輻射的電磁波獲取目標(biāo)的形貌，其實(shí)質(zhì)是獲取電磁波的強(qiáng)度分布圖像。這種圖像來(lái)源于電磁波在特定紅外頻段(短波、中波或長(zhǎng)波)內(nèi),對(duì)所有頻率分量和所有偏振態(tài)分量的積分。換言之，熱像儀所形成的圖像并沒(méi)有區(qū)分電磁波的頻率和偏振態(tài)。然而，來(lái)自目標(biāo)物體的電磁波的頻譜特征和偏振態(tài)也包含了該物體的豐富信息。例如，各種氣體分子在紅外頻段都有其特征吸收/輻射波長(zhǎng)，這些特征波長(zhǎng)是區(qū)分氣體種類的指紋性信息，如圖4所示。而各種固體目標(biāo)表面的微結(jié)構(gòu)，會(huì)使其輻射/反射的電磁波的偏振態(tài)具有相應(yīng)的特征，這些特征偏振態(tài)是區(qū)分不同目標(biāo)物體的又一重要維度。

圖4 氣體分子在紅外頻段的特征吸收波長(zhǎng)Fig.4 Characteristic absorption wavelengths of gas molecules in the infrared frequency band

為了進(jìn)一步挖掘這些信息，需要對(duì)頻率和偏振態(tài)進(jìn)行精確分辨。相應(yīng)地，雙色/多色成像、高光譜成像、偏振成像等先進(jìn)成像模式也被發(fā)展起來(lái)。以雙色/多色成像為例，通過(guò)在兩個(gè)(或多個(gè))較窄的紅外頻段分別獲取目標(biāo)與背景的圖像，并對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以有效提高圖像的信噪比，并凸顯目標(biāo)物體的輪廓；而高光譜成像，則是將電磁頻譜進(jìn)一步劃分為若干更窄的頻帶，并在每一個(gè)窄頻帶的中心波長(zhǎng)處獲取目標(biāo)的圖像。這樣獲取的圖像集合，既包含了目標(biāo)物體輻射的電磁波強(qiáng)度分布，又包含了目標(biāo)物體每個(gè)位置的光譜信息；偏振成像，則是在獲取目標(biāo)物體輻射的電磁波的強(qiáng)度分布圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步獲取電磁波的偏振態(tài)分布圖[19-20]。通過(guò)將強(qiáng)度分布圖與偏振態(tài)分布圖進(jìn)行比對(duì)，可以將輻射強(qiáng)度相近但偏振特性差異較大的物體區(qū)分開來(lái)。美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的Viktor Gruev等人于2010年報(bào)道了基于像元級(jí)集成納米線柵結(jié)構(gòu)的CCD偏振相機(jī)[21]。如圖5(a)所示，通過(guò)在CCD焦平面探測(cè)器的每個(gè)像元上集成鋁納米線柵，使得每個(gè)像元能夠獨(dú)立分辨可見光的偏振態(tài)，再配合相應(yīng)的讀出電路和圖像處理算法，就可以對(duì)目標(biāo)在可見光波段的輻射強(qiáng)度和偏振態(tài)同時(shí)成像。從圖5(b)～圖5(d)可以看出，同樣的探測(cè)目標(biāo)在光強(qiáng)分布圖和偏振態(tài)分布圖上呈現(xiàn)出來(lái)的特征是顯著不同的，這就大大增強(qiáng)了探測(cè)器對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。

(a)偏振相機(jī)

(b)光強(qiáng)圖

(c)橢偏度圖

(d)線偏角圖(a)CCD偏振相機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。像元陣列上覆蓋了一個(gè)與其對(duì)準(zhǔn)的微偏振片陣列,微偏振片的偏振方向有四種,依次相差45°。微偏振片由鋁制納米線柵組成,納米線的寬度為70nm,高度為70nm,線柵的單元周期為140nm;(b)～(d)是由偏振相機(jī)獲取的一些目標(biāo)物體的圖像。其中,(b)為光強(qiáng)分布圖,(c)為橢偏度分布圖,(d)為線偏角分布圖。其中,橢偏度分布圖和線偏角分布圖反映了目標(biāo)物體的形貌和成分材料的特性。圖5 基于像元級(jí)集成納米線柵結(jié)構(gòu)的CCD偏振相機(jī)Fig.5 CCD polarization camera based on pixel level integrated nanowire gratings

用于調(diào)控光頻電磁波參量的元件有濾光片、偏振片、透鏡等。以帶通濾光片為例，通過(guò)在透明襯底上沉積多層膜系結(jié)構(gòu)，可以選擇性地透過(guò)某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，實(shí)現(xiàn)濾光功能；而就線柵偏振片而言，通過(guò)在襯底上人為加工金屬線柵結(jié)構(gòu)，就可以選擇性地透過(guò)電磁波的某一偏振態(tài)分量，并反射其余的偏振態(tài)分量；透鏡，則是由透明材料加工制成的具有特定曲面面型的元件。電磁波在經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)，在鏡面不同位置處積累不同的相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前(等相位面)的調(diào)控。

將作為電磁參量調(diào)控元件的濾光片、偏振片、透鏡，以及將電磁波轉(zhuǎn)化為讀出電信號(hào)的探測(cè)芯片，按照一定的順序組合在一起，就得到了各種光學(xué)系統(tǒng)。由于這些分立式的電磁參量調(diào)控元件和探測(cè)芯片的功能單一，在實(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)往往要加入為數(shù)眾多的元件才能實(shí)現(xiàn)特定的功能，這使得成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。如果能實(shí)現(xiàn)電磁參量調(diào)控元件與探測(cè)芯片的集成化與多功能化，就可以使光學(xué)系統(tǒng)更緊湊、更輕巧。

2 超構(gòu)材料與電磁參量調(diào)控

如前所述，超構(gòu)材料是由亞波長(zhǎng)單元(天線)周期或非周期地排列而組成的人工結(jié)構(gòu)，陣列中每個(gè)天線的幾何結(jié)構(gòu)以及整個(gè)陣列的排布方式都可以進(jìn)行人工設(shè)計(jì)，因此超構(gòu)材料具有極大的設(shè)計(jì)自由度。經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的超構(gòu)材料，可以將濾光片、偏振片和透鏡的功能集于一體，實(shí)現(xiàn)多功能的電磁參量調(diào)控元件。

2.1 基于導(dǎo)模諧振光柵的濾光/偏振元件

平板介質(zhì)光波導(dǎo)，是由一層折射率較高的介質(zhì)材料夾在上下兩層折射率較低的介質(zhì)材料之間而構(gòu)成的平板導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，如圖6所示。其中，折射率較高的材料為芯層(n1)，而折射率較低的材料(n2)為包層。借助芯層上下表面處的全反射，光頻電磁波可以被有效地局限在芯層中傳播，即平板光波導(dǎo)的導(dǎo)模。如果將導(dǎo)模傳播的方向規(guī)定為z軸，垂直于導(dǎo)模傳播方向的截面規(guī)定為x-y平面，則導(dǎo)模在z軸方向?yàn)樾胁?傳導(dǎo))，而在x-y平面內(nèi)則為駐波(局限)[18]。

(a)電磁波借助平板介質(zhì)光波導(dǎo)上下界面處的全反射形成導(dǎo)模

(b)波導(dǎo)中的基模與高階模在垂直于傳播方向的截面上的振幅分布圖6 平板介質(zhì)光波導(dǎo)Fig.6 Planar dielectric optical waveguide

如果在平板光波導(dǎo)的表面引入亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，就可以在某些特定的條件下實(shí)現(xiàn)自由空間電磁波與導(dǎo)模的耦合[22]。這些特定的條件也被稱為諧振條件，它們實(shí)際上是一組“波長(zhǎng)+偏振態(tài)+入射角”的電磁參量組合，而整個(gè)“亞波長(zhǎng)光柵+平板光波導(dǎo)”的結(jié)構(gòu)也因此被稱為導(dǎo)模諧振光柵，如圖7所示[23]。導(dǎo)模諧振光柵對(duì)自由空間電磁波的透射和反射，天然地具有波長(zhǎng)選擇性和偏振選擇性，而這種波長(zhǎng)選擇性和偏振選擇性可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)控[24]。因此，導(dǎo)模諧振光柵可被用作多功能的濾光/偏振元件[25]。需要指出的是，導(dǎo)模諧振光柵存在兩種極端情況：當(dāng)光柵層厚度為0時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)退化為介質(zhì)平板波導(dǎo)；而如果波導(dǎo)層的厚度為0，則整個(gè)結(jié)構(gòu)演變?yōu)閱渭兊膩啿ㄩL(zhǎng)光柵。因此在這里，將介質(zhì)平板波導(dǎo)和亞波長(zhǎng)光柵都?xì)w入導(dǎo)模諧振光柵的類別。圖7(a)展示了一種波導(dǎo)層厚度為0的導(dǎo)模諧振光柵，光柵的周期性結(jié)構(gòu)單元由硒和鍺兩種材料組成，襯底為二氧化硅。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，該導(dǎo)模諧振光柵可以作為中紅外波段的透射式窄帶濾光片使用，如圖7(b)所示。圖7(c)展示了一種硅基導(dǎo)模諧振光柵，該光柵可以通過(guò)在硅薄膜中刻蝕出周期性納米硅柱陣列而獲得。如圖7(d)所示，通過(guò)改變波導(dǎo)層厚度，可以靈活調(diào)控光柵的反射譜。圖7(e)和圖7(f)分別顯示了該硅基導(dǎo)模諧振光柵在波導(dǎo)層厚度為0和不為0時(shí)的典型光場(chǎng)模式。這種光場(chǎng)模式，可被看作是振幅受到光柵結(jié)構(gòu)調(diào)制的行波，即布洛赫波[26-28]。

(a)基于Se/Ge二元材料體系的導(dǎo)模諧振光柵的結(jié)構(gòu)示意圖

(b)典型窄帶透射譜和導(dǎo)模諧振光柵中的布洛赫波

(c)硅基導(dǎo)模諧振光柵的結(jié)構(gòu)示意圖

(d)反射譜與平板波導(dǎo)層厚度的關(guān)系圖

(e)平板波導(dǎo)層厚度為0時(shí)的布洛赫波

(f)平板波導(dǎo)層厚度不為0時(shí)的布洛赫波圖7 導(dǎo)模諧振光柵Fig.7 Guided mode resonant gratings

2.2 基于超構(gòu)材料吸收體的濾光/偏振元件

另外一類具有代表性的濾光/偏振元件，是基于超構(gòu)材料的電磁波吸收體[10-11]。顧名思義，超構(gòu)材料吸收體既不透射電磁波，也不反射電磁波，而是吸收電磁波。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高吸收率，超構(gòu)材料吸收體往往由金屬或重?fù)诫s的半導(dǎo)體等對(duì)電磁波有較大損耗的材料構(gòu)成的亞波長(zhǎng)單元(天線)陣列組成。在光頻電磁波的激勵(lì)下，天線表面的自由電子產(chǎn)生共振，即局域表面等離激元共振(LSPR)[8]。從等效電路的角度來(lái)看，共振的自由電子對(duì)應(yīng)于天線等效電路中的諧振電流源；天線的結(jié)構(gòu)和尺寸，決定了等效電路中的電感項(xiàng)和電容項(xiàng)，以及相應(yīng)的諧振頻率；而天線材料的電導(dǎo)率總是有限的，這使得等效電路中總存在一個(gè)歐姆電阻項(xiàng)。因此，天線對(duì)電磁波的吸收，來(lái)源于諧振電流在天線中產(chǎn)生的歐姆損耗，如圖8所示。

(a)仿真所用的金天線結(jié)構(gòu)

(b)條形天線的電子顯微鏡照片

(c)等效瞬時(shí)表面電流的分布圖

(d)等效瞬時(shí)表面電流的透視圖和天線上表面的瞬時(shí)表面電荷密度分布圖

(e)由實(shí)驗(yàn)測(cè)量和時(shí)域有限差分法(FDTD)仿真所得的條形天線消光橫截面積Cext(實(shí)線)和消光效率Qext(虛線)關(guān)于波長(zhǎng)的函數(shù)曲線(a)～(e)是條形天線陣列的FDTD仿真結(jié)果。天線放置在硅襯底上,長(zhǎng)度為1.56μm,厚度為50nm,材料為金。天線陣列在x方向和y方向間的間隔為3μm。光源的波長(zhǎng)為λ=10.375μm。圖8 金屬光學(xué)天線在電磁波激勵(lì)下產(chǎn)生的電流與歐姆損耗Fig.8 Currents and ohmic losses induced in metallic optical antennas by electromagnetic waves

單層天線陣列，雖然能夠吸收一部分入射電磁波，但仍然會(huì)透射和反射部分電磁波[29]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的完美吸收，可以采用“金屬-介質(zhì)-金屬”的三層結(jié)構(gòu)：其中的上金屬層是天線陣列，中間的介質(zhì)層用于調(diào)控上下金屬層之間的距離，而下金屬層保持連續(xù)，且厚度足夠，能完全阻擋電磁波的透過(guò)，如圖9所示。當(dāng)電磁波從天線陣列一側(cè)射向三層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅會(huì)激勵(lì)起天線表面的自由電子共振(電共振)，而且天線表面的諧振電流還會(huì)在下金屬層的表面誘導(dǎo)出反相的諧振電流，進(jìn)而在介質(zhì)層中激勵(lì)起磁共振。通過(guò)調(diào)節(jié)天線的大小和介質(zhì)層的厚度，可以分別調(diào)控電共振、磁共振與入射電磁波的耦合強(qiáng)度。在特定的條件下，可以將入射電磁波的能量完全饋入電共振與磁共振，此時(shí)電磁波的反射系數(shù)為0，以實(shí)現(xiàn)電磁波的完美吸收[30]。而這些特定的條件，實(shí)質(zhì)上也是一組“波長(zhǎng)+偏振態(tài)+入射角”的電磁參量組合。因此，超構(gòu)材料吸收體對(duì)電磁波的吸收，也具有波長(zhǎng)選擇性和偏振選擇性，可被用作吸收式的多功能濾光/偏振元件。

(a)周期性條形結(jié)構(gòu)

(b)周期性方塊形結(jié)構(gòu)

(c)周期性條形結(jié)構(gòu)吸收體的電子顯微鏡照片

(d)仿真所得共振波長(zhǎng)處的光學(xué)近場(chǎng)分布，顏色表示|H|的大小，箭頭表示電場(chǎng)E

(e)

(f)

(g)

(h)

2.3 基于超構(gòu)材料的波前調(diào)控元件

除了調(diào)控電磁波的波長(zhǎng)和偏振態(tài)，天線也可被用于調(diào)控電磁波的相位[31]。2011年，美國(guó)哈佛大學(xué)Capasso課題組在《Science》雜志上發(fā)表論文，提出可以利用天線陣列調(diào)控電磁波的等相位面，即波前[3]。作者首先分析了在入射電磁波激勵(lì)下，納米棒金天線中產(chǎn)生的諧振電流。如圖10(a)所示，在電磁波的激勵(lì)下，納米棒金天線中的自由電荷產(chǎn)生高頻振蕩，振蕩的自由電荷可等效為諧振電流，而天線則可等效為金屬諧振腔，可以用彈簧振子的模型來(lái)描述[32]。納米棒金天線的長(zhǎng)度L與其最低階諧振模式的諧振波長(zhǎng)λsp之間的關(guān)系是L≈λsp/2n，這里的n是放置天線的襯底材料的折射率。圖10(b)示例了一個(gè)納米棒金天線對(duì)電磁波的吸收截面(absorption cross-section)、散射截面(scattering cross-section)，以及近場(chǎng)光強(qiáng)(near-field intensity)隨入射波的波長(zhǎng)λ的變化曲線?？梢钥闯觯咴讦?7μm附近有最大值，即納米棒金天線的諧振波長(zhǎng)λsp≈7μm。圖10(b)給出了散射波與入射波之間的相位突變，即天線的相位響應(yīng)隨入射波波長(zhǎng)的變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)入射波波長(zhǎng)λ等于天線諧振波長(zhǎng)λsp時(shí)，散射波與入射波的相位突變?yōu)?π/2；當(dāng)λ>λsp時(shí)，相位突變趨近于0；而當(dāng)λ<λsp時(shí)，相位突變趨近于-π。也就是說(shuō)，在諧振波長(zhǎng)λsp附近，天線的相位響應(yīng)存在一個(gè)從0到π的快速變化過(guò)程。那么，如果將入射波波長(zhǎng)設(shè)定為λsp，通過(guò)改變天線的長(zhǎng)度L，也可以實(shí)現(xiàn)相位響應(yīng)從0到π的變化，這也就構(gòu)成了利用天線陣列調(diào)控電磁波的波前(等相位面)的物理基礎(chǔ)。

(a)上側(cè)圖：光學(xué)天線可以等價(jià)為一個(gè)帶電的諧振子，其中q是電荷，m是慣性質(zhì)量。下側(cè)圖：用于FDTD仿真的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，金天線位于硅襯底上，受到沿天線長(zhǎng)軸方向偏振的正入射光的照射。它的長(zhǎng)度L為1μm，厚度t為50nm，寬度w為130nm。十字叉表示一個(gè)距離天線邊緣4nm的點(diǎn)，在這個(gè)位置處提取天線的光學(xué)近場(chǎng)強(qiáng)度和相位。

(b)上側(cè)圖：根據(jù)諧振子模型(實(shí)線)及FDTD仿真(虛線)計(jì)算得到的橫截面上的散射截面σscat和吸收截面σabs，以及近場(chǎng)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化。吸收截面和散射截面的定義分別為σabs(ω)= Pabs(ω)/I0和σscat(ω)= Pscat(ω)/I0。其中I0是入射強(qiáng)度。在FDTD中采用了總場(chǎng)/散射場(chǎng)平面波光源來(lái)提取天線的散射功率Pscat(ω)和吸收功率Pabs(ω)。下側(cè)圖：諧振子的相位(實(shí)線)和通過(guò)FDTD仿真得到的天線的近場(chǎng)相位(虛線)。圖10 納米棒金天線的振幅響應(yīng)與相位響應(yīng)Fig.10 Amplitude response and phase response of gold nanorod antennas

納米棒金天線只能產(chǎn)生0到π的相位突變，不足以覆蓋0到2π的完整相位取值范圍。為實(shí)現(xiàn)對(duì)波前的完全操控，Capasso等人提出了V型天線結(jié)構(gòu)，如圖11(a)所示[33]。這種V型天線由長(zhǎng)度相等的一對(duì)納米棒按一定的夾角在端點(diǎn)處連接而成，夾角的中線為對(duì)稱軸。當(dāng)入射電磁波的電場(chǎng)矢量平行于對(duì)稱軸時(shí)，在V型天線中激發(fā)起對(duì)稱的諧振電流(對(duì)稱模式)；當(dāng)入射電磁波的電場(chǎng)矢量垂直于對(duì)稱軸時(shí)，在V型天線中激發(fā)起反對(duì)稱的諧振電流(反對(duì)稱模式)。與納米棒天線相比，V型天線的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可以改變的參數(shù)更多，因此其對(duì)電磁波造成的相位突變范圍也更大。圖11(b)、圖11(c)顯示了當(dāng)工作波長(zhǎng)λ=8μm時(shí)，V型天線的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)隨臂長(zhǎng)h和夾角Δ的變化關(guān)系。根據(jù)這些關(guān)系，可以找出振幅響應(yīng)相等的8種V型天線結(jié)構(gòu)，它們之間的相位響應(yīng)依次相差π/4，而這8種天線結(jié)構(gòu)合在一起可以覆蓋0到2π的完整相位取值范圍。圖11(d)則顯示了這8種天線結(jié)構(gòu)在同樣的入射電磁波激勵(lì)下產(chǎn)生的散射場(chǎng)，相鄰的兩種天線結(jié)構(gòu)發(fā)出的電磁波的波前傳播距離之差為1μm，對(duì)應(yīng)的相位差為π/4。如果將這8種天線結(jié)構(gòu)作為一組基本單元，就可以在兩種材料的界面處引入界面內(nèi)的局部相位梯度dΦ/dx。如圖11(e)所示，在引入相位梯度后，電磁波在該界面處的折射過(guò)程不再簡(jiǎn)單服從傳統(tǒng)的折射定律(即ntsinθt=nisinθi)，而是服從廣義折射定律ntsinθt-nisinθi=(1/k0)*(dΦ/dx) 。因此，當(dāng)入射角θi一定時(shí)，折射角θt不僅由兩種材料的折射率ni和nt決定，還受到界面處引入的相位梯度dΦ/dx的調(diào)控；同樣，電磁波在該界面處的反射過(guò)程，也不再簡(jiǎn)單服從傳統(tǒng)的反射定律(即sinθr=sinθi)，而是服從廣義反射定律sinθr-sinθi=[1/(k0ni)]*(dΦ/dx)。因此，反射角θr不僅由入射角θi決定，還受到相位梯度dΦ/dx的調(diào)控?？梢?，相位梯度dΦ/dx為調(diào)控電磁波在界面處的反射與折射提供了新的途徑[34-35]。需要強(qiáng)調(diào)的是，以上討論僅局限于二維情形，即相位只沿x方向存在梯度變化。如圖11(f)所示，對(duì)于三維的情況，如果在垂直于入射面的方向引入相位梯度的分量dΦ/dy，就可以使折射電磁波和反射電磁波的波矢偏離入射面，這種情況稱作異常折射和異常反射[36-37]。

透鏡是典型的電磁波波前調(diào)控元件，在各類光學(xué)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。在提出廣義折反射定律之后，Capasso等進(jìn)一步展示了如何設(shè)計(jì)天線陣列，以獲得與傳統(tǒng)透鏡同樣的波前調(diào)控功能[38]。圖12(a)展示了平面透鏡(flat lens)和平面錐鏡(flat axicon)對(duì)入射波引入的附加相位分布函數(shù)。平面透鏡引入的附加相位分布由式(1)給出

(1)

式(1)中，(x,y)為平面透鏡或錐鏡上的坐標(biāo)，λ為工作波長(zhǎng)，其他量參照?qǐng)D12(a)。圖12(b)展示了用于計(jì)算V形天線的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)的數(shù)值仿真設(shè)置，以及挑選出來(lái)的8種相位響應(yīng)能覆蓋0到2π的V形天線結(jié)構(gòu)。圖12(c)展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)制備的平面透鏡的天線陣列細(xì)節(jié)。圖12(d)、圖12(e)則展示了對(duì)實(shí)驗(yàn)制備的平面透鏡和平面錐鏡進(jìn)行測(cè)量所得到的聚焦效果。

平面錐鏡引入的附加相位分布由式(2)給出

(2)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)基于V形金天線陣列的超構(gòu)材料聚焦平面透鏡(i)和平面錐鏡(iii)的示意圖。為了將平面波聚焦到距離平面透鏡f的一點(diǎn)，必須將一個(gè)雙曲面的相位延遲分布附加到入射光的波前中。

(b)用于計(jì)算光學(xué)天線的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)的FDTD仿真示意圖；一個(gè)V形金天線的俯視圖；各種形狀的V形天線在不同單元周期尺寸Δ條件下的相位響應(yīng)和歸一化振幅響應(yīng)，實(shí)線代表采用完美匹配層邊界條件(Δ=∞)時(shí)的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)。

(c)左半邊是實(shí)驗(yàn)制備的焦距為3cm的平面透鏡的電子顯微鏡照片；右半邊是根據(jù)相位公式、由八種光學(xué)天線排列出的附加相位的分布圖；插圖是天線陣列的放大圖。

(d)左邊三個(gè)圖是仿真和實(shí)驗(yàn)所得的焦距為3cm的平面透鏡在焦點(diǎn)附近的光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；右邊三個(gè)圖是仿真和實(shí)驗(yàn)所得的視場(chǎng)角β=0.5°的平面錐鏡焦點(diǎn)附近的光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；其中，最上面兩圖是仿真結(jié)果，下面四圖是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(e)(i)-(iii)三圖是根據(jù)理論模型計(jì)算的f=6cm的平面透鏡、f=3cm的平面透鏡和β=0.5°的平面錐鏡在x-y截面上的光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。(iv)-(vi)三圖是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三個(gè)平面透鏡在x-y截面上的光場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。(vii)-(ix)三圖是三個(gè)平面透鏡在對(duì)應(yīng)的前圖中沿著綠線、紅線、紫線所取的x-z截面和y-z截面上的光場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線。圖12 基于V形金天線陣列的聚焦超透鏡Fig.12 Metamaterial focusing lens based on V-shaped gold antenna arrays

3 超構(gòu)材料與紅外探測(cè)芯片的結(jié)合

超構(gòu)材料具有強(qiáng)大的電磁波參量調(diào)控與分辨功能，可以構(gòu)成多功能的超薄平面光學(xué)元件。由于超構(gòu)材料的制造工藝與集成電路芯片的制造工藝是一致的，而目前集成電路的工藝節(jié)點(diǎn)尺寸已達(dá)到了10nm以下的精度，因此大規(guī)模制備基于超構(gòu)材料的多功能電磁參量調(diào)控元件也不存在根本性的障礙。用超構(gòu)材料取代單一功能的傳統(tǒng)紅外光學(xué)元件，并與紅外探測(cè)芯片結(jié)合，勢(shì)必革新傳統(tǒng)的紅外成像探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更為緊湊、功能更為多樣的紅外探測(cè)成像系統(tǒng)出現(xiàn)，而這也契合了紅外探測(cè)芯片和成像系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：在系統(tǒng)緊湊化、輕量化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多的功能[39]。以下，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外在將超構(gòu)材料與紅外探測(cè)芯片結(jié)合、壓縮成像系統(tǒng)體積并實(shí)現(xiàn)新型探測(cè)功能方面的代表性工作進(jìn)行了回顧與梳理。

3.1 超構(gòu)材料調(diào)控探測(cè)芯片的光譜響應(yīng)

日本三菱電子公司高等技術(shù)研究所的Shinpei Ogawa等人從2012年開始發(fā)表了一系列論文[40-45]，報(bào)道了如何將超構(gòu)材料吸收體集成在基于摻雜多晶硅的熱電堆探測(cè)器像元上，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇型探測(cè)和偏振選擇型探測(cè)。如圖13(a)、圖13(b)所示，論文[40-42]采用了圓形金屬槽陣列作為具有波長(zhǎng)選擇功能的超構(gòu)材料吸收體。從圖13(c)可以看出，超構(gòu)材料吸收體只在某個(gè)峰值波長(zhǎng)附近較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高吸收率，而通過(guò)調(diào)節(jié)金屬槽陣列的單元周期，可以調(diào)控峰值吸收波長(zhǎng)。因此，超構(gòu)材料吸收體起到了波長(zhǎng)可調(diào)的吸收式窄帶濾光片的作用。如果將超構(gòu)材料吸收體與熱電堆探測(cè)器的像元進(jìn)行集成，如圖13(d)、圖13(e)所示，就可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)的窄帶熱探測(cè)。需要指出的是，熱探測(cè)材料對(duì)入射光的波長(zhǎng)是沒(méi)有分辨能力的，因此傳統(tǒng)的熱探測(cè)器的光譜響應(yīng)是寬帶的，而要實(shí)現(xiàn)窄帶熱探測(cè)，一般要依賴外加的分立式窄帶濾光片。超構(gòu)材料吸收體的引入，使熱探測(cè)器在像元層次上具有獨(dú)立分辨電磁波長(zhǎng)的能力，可以在不依賴分立式窄帶濾光片的前提下便實(shí)現(xiàn)窄帶探測(cè)，這使得基于熱探測(cè)像元陣列的非制冷紅外焦平面有了更大的設(shè)計(jì)自由度。圖13(f)展示了如何構(gòu)建像元陣列，并獨(dú)立調(diào)控每個(gè)像元上集成的吸收體的吸收波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)中紅外波段的多波長(zhǎng)探測(cè)功能。圖13(g)給出了兩個(gè)像元的響應(yīng)率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，即光譜響應(yīng)率。這兩個(gè)像元分別集成了具有不同吸收波長(zhǎng)的吸收體，因此，它們的光譜響應(yīng)率的峰值也分別位于不同的波長(zhǎng)處。圖13(h)則給出了8個(gè)像元的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)?？梢钥闯?，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬槽陣列的單元周期，像元的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)中紅外波段。集成超構(gòu)材料吸收體的熱電堆像元的制造工藝流程如圖13(i)所示，該流程采用了與CMOS兼容的工藝，因此可以利用集成電路芯片的生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

(a)二維金屬槽超構(gòu)材料吸收體(MAs)的示意圖

(b)二維MAs的電子顯微鏡照片

(c)仿真所得的二維MAs的吸收譜關(guān)于金屬槽陣列單元周期P的函數(shù)

(d)集成二維MAs的熱電堆探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)示意圖

(e)電子顯微鏡照片

(f)用于多光譜成像的像元陣列概念圖

(g)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩個(gè)不同探測(cè)器像元的光譜響應(yīng)

(h)探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)關(guān)于金屬槽陣列單元周期P的函數(shù)

(i)集成二維MAs的熱電堆探測(cè)器的制備流程示意圖圖13 利用二維周期性金屬圓槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y(cè)器的紅外光譜響應(yīng)Fig.13 Tailoring the infrared spectral response of thermopile detectors using a two-dimensional periodic metal circular dimple arrays

沿著利用超構(gòu)材料調(diào)控?zé)崽綔y(cè)器像元光譜響應(yīng)的思路，Shinpei Ogawa等人進(jìn)一步開發(fā)了基于SOI二極管的雙色成像熱探測(cè)器[44, 46]。如圖14(a)所示，該探測(cè)器采用“金屬天線陣列-介質(zhì)層-金屬背板”(即MIM結(jié)構(gòu))的超構(gòu)材料吸收體實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波長(zhǎng)的選擇。上層的金屬天線為圓盤型，以確保對(duì)入射光的偏振態(tài)不敏感吸收。同時(shí)，在MIM結(jié)構(gòu)中還留出了若干釋放孔，用于形成懸空的支撐結(jié)構(gòu)，如圖14(b)所示。由于MIM結(jié)構(gòu)的超構(gòu)材料吸收體對(duì)入射光的局域化功能很強(qiáng)，釋放孔的存在對(duì)吸收體的吸收譜影響并不大。如圖14(c)所示，通過(guò)調(diào)節(jié)上層圓盤型金屬天線的尺寸，便可以靈活調(diào)控吸收體的吸收波長(zhǎng)。集成超構(gòu)材料吸收體的完整像元結(jié)構(gòu)及其典型光譜響應(yīng)曲線如圖14(d)、圖14(e)所示?；谶@種像元結(jié)構(gòu)，作者制作了相應(yīng)的焦平面陣列，如圖14(f)所示。焦平面陣列的像元間距(pixel-pitch)為50μm，像元陣列的大小為320×240，整個(gè)焦平面陣列的尺寸為20.0mm×19.0mm。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的雙色成像探測(cè)，像元陣列被劃分為左右兩半，通過(guò)調(diào)控上層金屬天線的結(jié)構(gòu)和大小，將左半邊像元陣列的探測(cè)波長(zhǎng)設(shè)定為4.7μm，右半邊像元陣列的探測(cè)波長(zhǎng)設(shè)定為7.6μm。為了驗(yàn)證雙色成像探測(cè)功能，作者將一個(gè)輻射體與一個(gè)中心波長(zhǎng)為4.7μm的窄帶濾光片的組合作為探測(cè)目標(biāo)。對(duì)該探測(cè)目標(biāo)的成像效果如圖14(g)所示。可以看到，只有左半邊像元陣列可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，而右半邊像元陣列對(duì)探測(cè)目標(biāo)沒(méi)有響應(yīng)，這也就驗(yàn)證了雙色成像探測(cè)的功能。

(a)金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)吸收體的結(jié)構(gòu)示意圖

(b)帶有釋放通孔的MIM吸收體的電子顯微鏡照片

(c)MIM吸收體的反射率實(shí)際測(cè)量值，可以看出在中紅外波段具有很強(qiáng)的吸收峰

(d)集成MIM吸收體的SOI二極管像元結(jié)構(gòu)

(e)探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線

(f)為驗(yàn)證探測(cè)器雙色成像功能所設(shè)計(jì)的像元陣列的照片，右側(cè)小圖為放大的像元陣列圖，以及用作探測(cè)目標(biāo)的輻射體的照片。

(g)以一個(gè)輻射體和一個(gè)中心波長(zhǎng)為4.7μm的窄帶濾光片的組合作為探測(cè)目標(biāo)的成像效果圖圖14 基于超構(gòu)材料的雙色紅外成像探測(cè)芯片F(xiàn)ig.14 Two-color infrared imaging detection chip based on metamaterials

超構(gòu)材料不但可以分辨入射光的頻率，還可以分辨入射光的偏振態(tài)，上述目標(biāo)只需要在亞波長(zhǎng)單元的結(jié)構(gòu)中引入不對(duì)稱性即可實(shí)現(xiàn)。例如，Shinpei Ogawa等人于2014年報(bào)道了采用橢圓形金屬槽陣列作為具有偏振態(tài)選擇功能的超構(gòu)材料吸收體，如圖15(a)、圖15(b)所示[47-48]。由于橢圓形金屬槽具有結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，只有在入射光的電場(chǎng)分量平行于橢圓的短軸時(shí)才會(huì)激發(fā)諧振，因此其具有分辨偏振態(tài)的能力，如圖15(c)所示。而如果將這種超構(gòu)材料吸收體與熱電堆探測(cè)器像元進(jìn)行集成，如圖15(d)、圖15(e)所示，就可以調(diào)控像元響應(yīng)與入射光偏振態(tài)的關(guān)系，即偏振光譜響應(yīng)。從圖15(f)可以看出，集成超構(gòu)材料吸收體的熱電堆探測(cè)器像元對(duì)兩種偏振態(tài)的響應(yīng)是不同的，即其具有了獨(dú)立的偏振態(tài)分辨能力。對(duì)于焦平面探測(cè)器而言，這意味著可以靈活設(shè)置像元陣列中每個(gè)像元所響應(yīng)的偏振態(tài)。如果將像元陣列中四個(gè)相鄰的像元規(guī)定為一個(gè)超像元，并將其中每個(gè)像元所響應(yīng)的偏振態(tài)按圖15(g)所示的方式進(jìn)行設(shè)置，就可以根據(jù)它們的讀出信號(hào)，按照斯托克斯公式計(jì)算出入射光的偏振度和偏振角，這也是分焦平面式偏振成像探測(cè)的原理。

(a)基于二維橢圓金屬槽陣列的超構(gòu)材料吸收體的結(jié)構(gòu)示意圖

(b)二維橢圓金屬槽陣列的電子顯微鏡照片

(c)二維橢圓金屬槽陣列的吸收譜與入射光偏振角之間的關(guān)系(仿真)

(d)集成二維橢圓金屬槽陣列的熱電堆探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖及入射光偏振角的定義方式

(e)集成二維橢圓金屬槽陣列的熱電堆探測(cè)器的電子顯微鏡照片

(f)由多個(gè)集成二維橢圓金屬槽陣列的熱電堆探測(cè)器像元組成的像元陣列示意圖

(g)入射光偏振角θ分別為0°(藍(lán)線)和90°(紅線)時(shí)探測(cè)器(i)～(v)的光譜響應(yīng)曲線圖15 利用二維橢圓金屬槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y(cè)器的紅外偏振/光譜響應(yīng)Fig.15 Tailoring the infrared polarization/spectral responses of thermopile detectors using two-dimensional metallic elliptical dimple arrays

基于相同的思路，Shinpei Ogawa等人于2015年報(bào)道了采用基于條形金屬槽陣列的偏振敏感型超構(gòu)材料吸收體，如圖16(a)、圖16(b)所示[43]。由于條型金屬槽同樣具有結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，因此其也具有對(duì)入射光偏振態(tài)的分辨能力。圖16(c)、圖16(d)給出了集成條狀金屬槽陣列的熱電堆探測(cè)器像元，而這種像元對(duì)兩種入射光偏振態(tài)的光譜響應(yīng)如圖16(e)、圖16(f)所示。

(a)一維條形金屬槽陣列的幾何參數(shù)及入射光的電場(chǎng)矢量與金屬槽之間的夾角

(b)一維條形金屬槽陣列的電子顯微鏡照片

(c)基于一維條形金屬槽陣列吸收體的熱電堆探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

(d)基于一維條形金屬槽陣列吸收體的電子顯微鏡照片

(e)入射光的電場(chǎng)矢量與金屬槽的夾角θ分別為0°(藍(lán)線)和90°(紅線)時(shí)，探測(cè)器A的光譜響應(yīng)曲線

(f)入射光的電場(chǎng)矢量與金屬槽的夾角θ分別為0°(藍(lán)線)和90°(紅線)時(shí)，探測(cè)器B的光譜響應(yīng)曲線圖16 利用一維周期性金屬槽陣列調(diào)控?zé)犭姸烟綔y(cè)器的紅外偏振/光譜響應(yīng)Fig.16 Tailoring the infrared polarization/spectral responses of a thermopile detector using a one-dimensional periodic metallic groove arrays

本文作者與同事從2012年開始發(fā)表了一系列論文，報(bào)道了將超構(gòu)材料吸收體集成在基于雙材料懸臂梁的熱形變探測(cè)器像元上，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇型探測(cè)和偏振選擇型探測(cè)的工作[49-50]。如圖17(a)、圖17(b)所示，熱形變探測(cè)器的像元由“25nm金薄膜+100nm氮化硅薄膜”的雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)組成，臂長(zhǎng)為500μm，寬為100μm，且兩端固定。在入射紅外光的照射下，懸臂梁吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度升高。在溫升的作用下，金薄膜與氮化硅薄膜之間的受熱膨脹程度差異將導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲形變，而這種彎曲形變的程度與入射光的光強(qiáng)成正比。因此，通過(guò)測(cè)量雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變量，就可以讀出入射紅外光的光強(qiáng)。與其他類型的熱探測(cè)器一樣，熱形變探測(cè)器對(duì)入射光的波長(zhǎng)和偏振態(tài)也不具備分辨能力。因此，在雙材料懸臂梁上集成了基于納米槽天線陣列的超構(gòu)材料吸收體，如圖17(c)所示。由于納米槽天線在結(jié)構(gòu)上具有不對(duì)稱性，因此只有當(dāng)入射光的偏振態(tài)垂直于納米槽時(shí)，才能激發(fā)起電磁諧振，即對(duì)入射光的偏振態(tài)具有分辨能力。當(dāng)入射光的偏振態(tài)垂直于納米槽時(shí)，電磁諧振的峰值波長(zhǎng)與納米槽的長(zhǎng)度線性相關(guān)，如圖17(d)所示，即對(duì)入射光的波長(zhǎng)具有分辨能力。為了測(cè)量懸臂梁的形變量，采用了基于光纖的法布里-帕羅干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖17(e)所示。在該結(jié)構(gòu)中，懸臂梁是一個(gè)反射面，光纖端面是另一個(gè)反射面，兩個(gè)反射面之間的間距(即干涉儀的腔長(zhǎng))，受到懸臂梁彎曲形變的調(diào)控。通過(guò)光纖向干涉儀注入1550nm的測(cè)試光，并根據(jù)干涉儀反射回的光的強(qiáng)度，便可以推算出干涉儀的腔長(zhǎng)變化量，即懸臂梁的彎曲形變量。我們用輸出光波長(zhǎng)為6μm的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器作為光源，對(duì)該熱形變探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試，集成在懸臂梁上的納米槽天線的峰值吸收波長(zhǎng)也設(shè)定為6μm。圖17(f)給出了納米槽天線的吸收系數(shù)和探測(cè)器的電壓響應(yīng)率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系。圖17(g)給出了入射光在受到斬波器的調(diào)制時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)率隨調(diào)制頻率的變化曲線。

(a)超構(gòu)材料熱形變紅外探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

(b)雙材料懸臂梁和納米槽天線陣列的偽彩色SEM圖像

(c)納米槽天線的單元設(shè)置與光學(xué)近場(chǎng)分布

(d)仿真得到的納米天線陣列的吸收譜。其中，W=100nm, L=1600nm、1800nm、2000nm、2200nm、2400nm

(e)用于表征探測(cè)器性能的測(cè)量系統(tǒng)示意圖

(f)光纖法布里-帕羅干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖

(g)利用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量得到的納米天線陣列的典型吸收光譜和相應(yīng)的探測(cè)器響應(yīng)。其中,px=py=3μm, W=100nm, L=1.6μm

(h)在受到斬波器調(diào)制的入射光的激勵(lì)下產(chǎn)生的探測(cè)器響應(yīng)與調(diào)制頻率的關(guān)系，即探測(cè)器的頻率響應(yīng)如圖(a)所示，通過(guò)干法刻蝕將納米槽天線陣列嵌入雙材料懸臂梁中，在入射光的激勵(lì)下，天線陣列將紅外輻射轉(zhuǎn)換成熱量并引起雙材料懸臂梁的溫度上升。由于金和氮化硅的熱膨脹系數(shù)不同，溫度的升高將導(dǎo)致雙材料懸臂梁產(chǎn)生彎曲。雙材料懸臂梁同時(shí)也是光纖法布里-帕羅干涉儀(FFPI)的兩個(gè)反射鏡之一，通過(guò)光纖法布里-帕羅干涉儀可以讀出雙材料懸臂梁的彎曲形變。圖17 利用基于納米槽天線的超構(gòu)材料吸收體調(diào)控?zé)嵝巫兲綔y(cè)器的紅外偏振/光譜響應(yīng)Fig.17 Tailoring the infrared polarization/spectral responses of a thermal mechanical detector using a periodic nanoslot arrays

美國(guó)杜克大學(xué)的Willie Padilla等人于2017年報(bào)道了將超構(gòu)材料吸收體與基于鈮酸鋰薄膜的熱釋電探測(cè)器像元進(jìn)行集成、實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇型探測(cè)的工作[51]。如圖18(a)所示，該探測(cè)器采用厚度為575nm的單晶鈮酸鋰薄膜作為熱釋電材料，同時(shí)熱釋電薄膜也構(gòu)成了“金屬天線-介質(zhì)層-金屬背板”三層結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層。熱釋電薄膜的上方是分裂十字金天線陣列，如圖18(b)所示，薄膜下方是金背板。天線陣列的大小為150μm×150μm，如圖18(c)所示，這同時(shí)也定義了熱探測(cè)器像元的大小。圖18(d)給出了三層結(jié)構(gòu)對(duì)入射光的典型吸收譜線?？梢钥闯?，三層結(jié)構(gòu)可以選擇性地吸收特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光。而通過(guò)調(diào)整上層天線陣列的結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，可以靈活調(diào)控對(duì)入射光的峰值吸收波長(zhǎng)，如圖18(e)所示。當(dāng)入射光波長(zhǎng)等于峰值吸收波長(zhǎng)時(shí)，三層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光功率損耗密度分布、溫度分布及相應(yīng)的熱釋電電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的分布情況由圖18(f)給出?？梢钥闯觯诜逯挡ㄩL(zhǎng)處，入射光被局限在三層結(jié)構(gòu)內(nèi)。由于金屬材料和薄膜鈮酸鋰材料對(duì)光均有吸收作用，吸收的光能通過(guò)歐姆損耗轉(zhuǎn)化為熱能并導(dǎo)致溫度上升，而溫度的上升又導(dǎo)致熱釋電薄膜上下兩極之間產(chǎn)生電荷堆積和相應(yīng)的電信號(hào)輸出。圖18(g)對(duì)比了該探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線與超構(gòu)材料吸收體的光譜吸收曲線?？梢钥闯?，在集成了窄帶超構(gòu)材料吸收體之后，探測(cè)器的光譜響應(yīng)也變?yōu)榱苏瓗У?，即?shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)選擇型的探測(cè)。

(a)一個(gè)10.73μm的分裂十字天線結(jié)構(gòu)單元的示意圖

(b)電子顯微鏡獲取的超構(gòu)材料吸收體頂層天線陣列的照片

(c)光學(xué)顯微鏡獲取的由28×28天線陣列組成的探測(cè)像元的照片

(d)一個(gè)典型超構(gòu)材料探測(cè)器(MMD)的吸收光譜(仿真結(jié)果用黑線表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用紅線表示)

(e)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的幾個(gè)MMD的吸收光譜

(f)通過(guò)軟件仿真得到的光學(xué)諧振峰值波長(zhǎng)處的光功率吸收密度、溫度和加載在MMD結(jié)構(gòu)上的直流電場(chǎng)。加載在一個(gè)天線單元上的紅外偏振光功率為0.5W(該結(jié)構(gòu)中超構(gòu)材料的復(fù)用特性使得直流電場(chǎng)能夠直接與熱激勵(lì)場(chǎng)重疊)。

(g)MMD的探測(cè)響應(yīng)(藍(lán)線)與測(cè)得的光譜吸收曲線符合得很好(綠線顯示了不含超構(gòu)材料的探測(cè)區(qū)域的響應(yīng)曲線，說(shuō)明超構(gòu)材料的光學(xué)諧振對(duì)于將光能吸收到熱釋電單元中而言是必要的)。圖18 利用基于分裂十字天線的超構(gòu)材料吸收體調(diào)控?zé)後岆娞綔y(cè)器的紅外光譜響應(yīng)Fig.18 Tailoring the infrared polarization/spectral responses of a thermopile detector using ametamaterial absorber based on splitcross antenna array

3.2 超構(gòu)材料作為探測(cè)芯片的波前調(diào)控元件

在Capasso等人提出廣義折反射定律并展示出基于天線陣列的平面聚焦透鏡后，學(xué)術(shù)界對(duì)利用超構(gòu)材料(表面)實(shí)現(xiàn)多功能的平面光學(xué)元件產(chǎn)生了濃厚的興趣，而成像透鏡作為各種光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也成為了超構(gòu)材料的一個(gè)標(biāo)志性的應(yīng)用[14]。從2016年開始，學(xué)術(shù)界報(bào)道了一系列基于超構(gòu)材料的平面成像透鏡(超透鏡，metalens)的工作[52-55]，這里選取兩個(gè)工作在中紅外波段的典型成像超透鏡案例加以說(shuō)明。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)的Barry Luther-davies等人于2017年報(bào)道了基于納米硅柱陣列的平面成像透鏡[56]。如圖19(a)所示，該透鏡的陣列基本單元為納米硅柱，襯底為MgF2。納米硅柱陣列在工作波長(zhǎng)λ=4μm附近的振幅響應(yīng)(Transmission)和相位響應(yīng)(Phase)隨硅柱的底面半徑(Radius)及陣列單元的尺寸(Lattice Constant)的變化規(guī)律，由圖19(b)、圖19(c)給出。作者利用該納米硅柱陣列進(jìn)行了基本的光線偏折的驗(yàn)證性工作，仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖19(d)、圖19(e)所示。為檢驗(yàn)納米硅柱陣列對(duì)光束聚焦的能力，作者根據(jù)式(3)所描述的相位分布函數(shù)對(duì)納米硅柱陣列的排布進(jìn)行了設(shè)計(jì)(圖19(f))，并實(shí)驗(yàn)制備了6個(gè)直徑D為300μm的納米硅柱陣列。每個(gè)陣列的焦距f依次為50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm，對(duì)應(yīng)的數(shù)值孔徑依次為0.95、0.83、0.71、0.6、0.51、0.45。

(3)

(a)納米柱單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)：納米柱半徑-R，納米柱高度-h，單元周期-a

(b)當(dāng)h=2μm、a=2μm時(shí)仿真得到的相位延遲和透射率

(c)根據(jù)仿真得到的相位延遲和透射率關(guān)于硅柱半徑及晶格常數(shù)的二維函數(shù)所作的等高線圖，這里假設(shè)納米柱高度為2μm

(d)基于硅納米柱陣列的中紅外(4μm)光束偏折器，可使入射光在x-z平面上的相位分布發(fā)生傾斜，插圖是偏折器的工作模式示意圖

(e)偏折角度與偏折效率的關(guān)系圖

(f)中紅外超透鏡的設(shè)置與相位傳播的計(jì)算

(g)超透鏡中心部分的俯視圖，插圖是用光學(xué)顯微鏡獲取的不同口徑的超透鏡的圖像;(h)硅納米柱的細(xì)節(jié)部分的SEM圖像

(i)中紅外聚焦超透鏡的焦點(diǎn)光斑大小(FWHM)與數(shù)值孔徑(numerical aperture)的關(guān)系曲線

(j)中紅外超透鏡成像的例子，插圖是用光學(xué)顯微鏡獲取的目標(biāo)圖像

(k)用中紅外超透鏡獲取的分辨率測(cè)試圖;(l)用光學(xué)顯微鏡獲取的分辨率測(cè)試圖中的第6組與第7組;(m)用傳統(tǒng)非球面硫系玻璃透鏡(Thorlabs,NA=0.54)獲取的分辨率測(cè)試圖。圖中的標(biāo)尺大小為10μm。圖19 基于硅納米柱陣列的中紅外超透鏡Fig.19 Mid-infrared metalens based on silicon nanopost arrays

圖19(i)給出了光束聚焦實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。可以看出，該納米硅柱陣列的聚焦能力已接近衍射極限。為檢驗(yàn)納米硅柱陣列的成像效果，作者制備了直徑為2mm、焦距f也為2mm的納米硅柱陣列。作者首先用該納米硅柱陣列對(duì)自制的樣品進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，效果如圖19(j)所示。隨后，作者又用1951年美國(guó)空軍制定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案(圖19(l))作為成像對(duì)象檢驗(yàn)了該納米硅柱陣列的成像效果，如圖19(k)所示。結(jié)果顯示，當(dāng)該納米硅柱陣列的放大倍數(shù)為120倍時(shí)，可以分辨的最小線寬為4.38μm。作為對(duì)比，作者又采用傳統(tǒng)的非球面硫系玻璃透鏡(C036TME-E，Thorlabs，NA=0.56)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖19(m)所示，該硫系玻璃透鏡可以分辨的最小尺度為3.48μm。由于硫系玻璃透鏡的數(shù)值孔徑比納米硅柱陣列的數(shù)值孔徑大出約10%，作者得出的結(jié)論是，納米硅柱陣列的分辨能力與硫系玻璃透鏡的成像分辨能力相當(dāng)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的Juejun Hu等人于2018年報(bào)道了基于碲化鉛(PbTe)納米結(jié)構(gòu)陣列的平面成像透鏡，襯底為氟化鈣CaF2，工作波長(zhǎng)λ0=5.2μm[57]。為同時(shí)得到0～2π的相位響應(yīng)范圍和較高的透射率，納米結(jié)構(gòu)陣列中的基本單元(meta-atom)選取了長(zhǎng)方形和H型兩種結(jié)構(gòu)，基本單元的周期P為2.5μm、厚度為650nm。圖20(a)～圖20(c)給出了長(zhǎng)方形基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖、振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)。從圖20(d)可以看出，雖然長(zhǎng)方形基本單元的相位響應(yīng)能夠覆蓋0～2π，但是在其中120°的相位響應(yīng)范圍內(nèi)，基本單元的透射率較低(low efficiency gap)。因此，作者引入了H型的基本單元結(jié)構(gòu)，如圖20(e)所示。從圖20(f)可以看出，H型結(jié)構(gòu)能夠有效填補(bǔ)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)透射率較低的相位響應(yīng)范圍。將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，就可得出相位響應(yīng)范圍覆蓋0～2π、同時(shí)透射率又較高的一組基本單元，如圖20(g)所示。作者基于設(shè)計(jì)好的基本單元進(jìn)行了平面透鏡的制備。圖20(h)、圖20(i)給出了碲化鉛薄膜的折射率和消光系數(shù)的實(shí)際測(cè)量值，以及實(shí)驗(yàn)制備的長(zhǎng)方形和H型基本單元的掃描電鏡圖。圖20(j)～圖20(l)給出了用作平面成像透鏡的納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描電鏡圖。該平面透鏡的直徑為1mm，焦距f=0.5mm。作者用1951年美國(guó)空軍制定的測(cè)試圖案對(duì)平面透鏡進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，如圖20(m)所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的成像分辨率為3.9μm，與在衍射極限條件下采用瑞利判據(jù)的理論計(jì)算值3.4μm接近。

事實(shí)上，采用H型等一些不同于圓柱、長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)，以此來(lái)填補(bǔ)在相位響應(yīng)覆蓋上的不足這種方法，在目前的超透鏡研究領(lǐng)域具有非常普遍的應(yīng)用。在對(duì)單元的設(shè)計(jì)中，半徑這一自由度可以用來(lái)調(diào)控相位響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)聚焦成像功能。而當(dāng)要給予超透鏡其他附加的功能(比如消除色差時(shí))，就需要另外的一個(gè)自由度。將納米陣列的形狀由圓柱、長(zhǎng)方體改為其他形狀，正是引入新的自由度的方法。

(a)長(zhǎng)方形納米結(jié)構(gòu)單元的俯視圖

(b)納米結(jié)構(gòu)單元的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系

(c)納米結(jié)構(gòu)單元的振幅響應(yīng)和相位響應(yīng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系

(d)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的長(zhǎng)方形納米結(jié)構(gòu)單元的透射率與相位延遲量的關(guān)系曲線，在陰影部分所標(biāo)注的相位延遲量取值范圍內(nèi)，長(zhǎng)方形納米結(jié)構(gòu)單元的透射率較低，即為“低效率區(qū)”。

(e)H形納米結(jié)構(gòu)單元的俯視圖

(f)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的H形納米結(jié)構(gòu)單元的透射率與相位延遲量的關(guān)系曲線。H型納米結(jié)構(gòu)單元在圖(d)的陰影區(qū)所標(biāo)注的低效率區(qū)中透射率較高，因而可以有效填補(bǔ)長(zhǎng)方形納米結(jié)構(gòu)單元的低效率區(qū)。

(g)為構(gòu)建超透鏡所選取的八種納米結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)的相位延遲量和透過(guò)率的關(guān)系圖，這些選中的納米結(jié)構(gòu)單元也在圖(d)和圖(f)中用三角符號(hào)標(biāo)注了出來(lái)。

(i)

(j)～(l)為實(shí)驗(yàn)制備的納米結(jié)構(gòu)單元陣列的電鏡圖

(m)超透鏡成像測(cè)試結(jié)果：(i)～(iii)為用超透鏡作為顯微物鏡拍攝分辨率測(cè)試卡的照片;(iv)～(vi)為仿真的理想無(wú)像差成像系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的對(duì)應(yīng)分辨率測(cè)試圖案；圖中的標(biāo)尺代表30μm圖20 基于PbTe納米結(jié)構(gòu)單元陣列的中紅外超透鏡Fig.20 Mid-infrared metalens based on PbTe nanostructure arrays

4 總結(jié)與展望

在射頻與微波頻段利用天線及超構(gòu)材料調(diào)控電磁波的參量，已經(jīng)有比較完善的理論和較多的實(shí)踐。近年來(lái)，隨著納米加工技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)展，采用半導(dǎo)體芯片業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝大規(guī)模制備光頻段亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)已成為可能，因此對(duì)光頻電磁天線及超構(gòu)材料的研究也越來(lái)越受到關(guān)注。基于超構(gòu)材料的多功能超薄平面光學(xué)元件，有望取代基于折射/反射定律的曲面光學(xué)元件(如透鏡和面反射鏡等)，從而革新現(xiàn)有的成像系統(tǒng)架構(gòu)，使成像系統(tǒng)更加緊湊和輕量化。具體到紅外成像系統(tǒng)而言，由于包括硅酸鹽玻璃和光學(xué)聚合物在內(nèi)的大多數(shù)傳統(tǒng)光學(xué)材料在波長(zhǎng)超過(guò)3μm時(shí)變得不透明，中紅外光學(xué)元件或者由硫?qū)倩锘螓u化物等加工技術(shù)不成熟的特種材料制成，或者需要采用諸如金剛石切削等的復(fù)雜工藝，例如基于硅、鍺材料的紅外透鏡。因此，中紅外光學(xué)元件往往更加昂貴且常常性能較差。超構(gòu)材料與紅外探測(cè)芯片的深度結(jié)合，有望為偏振成像、雙色/多色成像、高光譜成像等先進(jìn)成像模式提供全新的技術(shù)路線與低功耗、輕量化的解決方案，因而具有較大的應(yīng)用價(jià)值。