王進東，葉文成，張偉婷，崔愛梁，廖清君

（1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海200083；2.中國科學(xué)院 紅外成像材料與器件重點實驗室，上海200083；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.上海市實驗學(xué)校，上海200135）

1 引言

雙色紅外焦平面探測器能夠探測兩個紅外波段的信號，進而得到目標(biāo)的絕對溫度，提高了探測系統(tǒng)對目標(biāo)的識別能力［1-2］。但傳統(tǒng)雙色紅外探測器采用縱向疊層結(jié)構(gòu)［3-5］，探測器的占空比和信號靈敏度損失嚴(yán)重，還需要解決原位摻雜［6］、熱處理激活、無損傷刻蝕［7-9］等問題，制備難度較大。我們提出了將超構(gòu)表面與平面結(jié)構(gòu)紅外探測器耦合的雙色紅外探測器，利用超構(gòu)表面使入射光在空間上分離，用平面探測器的不同區(qū)域探測對應(yīng)波段的信號，最終獲得雙色信息。超構(gòu)表面是具有亞波長結(jié)構(gòu)的二維天線陣列，通過設(shè)計表面微納結(jié)構(gòu)的形貌和排布，可以調(diào)控光場的相位［10-13］、偏振［14-15］和振幅［16］等，具有強大的光操縱能力［17-18］。相比于傳統(tǒng)的光學(xué)器件［19］，超構(gòu)表面具有以下顯著特點［20］：（1）超薄化。超構(gòu)表面陣列的光學(xué)厚度相對于其平面尺寸極小，有效減少了光在傳輸過程中的損耗，也不再依賴光在介質(zhì)中傳播帶來的相位積累，而是通過表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相位調(diào)控；（2）微型化。超構(gòu)表面單元僅為亞波長尺寸，能夠減少衍射對系統(tǒng)的影響，而且有效減小了光學(xué)器件的體積和質(zhì)量；（3）寬帶響應(yīng)［21-22］。超構(gòu)表面陣列能夠在寬波段對電磁波進行調(diào)制，具有低色散或無色散的特性；（4）設(shè)計靈活。超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)陣列可以根據(jù)需求來設(shè)計，甚至同時實現(xiàn)對相位、偏振和振幅等多個參數(shù)的調(diào)控［12，23］。近年來，人們嘗試將超構(gòu)表面廣泛應(yīng)用于光的異常折射［24］，彩色印刷［25］，電磁隱身［26］和超透鏡［26-28］等研究中。

在紅外波段，人們常利用金屬超構(gòu)表面與光場耦合產(chǎn)生表面等離子激元，進而實現(xiàn)對光波的調(diào)控［11，29-31］。但表面等離子激元為倏逝波，僅能在表面?zhèn)鞑?，能量損耗大，而且金屬價格昂貴，這制約了它的使用范圍。在此背景下，具有高折射率、低損耗，可與CMOS工藝兼容的電介質(zhì)材料引起了人們的關(guān)注［17，32-33］。

本文利用在紅外波段具有高折射率的Si和高透射率SiO2來設(shè)計能夠分離特定波長紅外光的電介質(zhì)超構(gòu)表面陣列。波長為2.7，2.9μm的混合紅外光透過超構(gòu)表面陣列后，不同波長的光在出射空間上發(fā)生了分離，實現(xiàn)了分色的效果。該陣列具有高透射、低吸收及微型化的特點。

2 原理

傳統(tǒng)雙色紅外探測器和本文提出的雙色紅外探測器的結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 疊層結(jié)構(gòu)雙色紅外探測器Fig.1 Two-color infrared detector with laminated struc?ture

圖2 超構(gòu)表面與平面結(jié)構(gòu)紅外探測器耦合的雙色紅外探測器Fig.2 Two-color infrared detector coupled with metasur?face and planar infrared detector

傳統(tǒng)折射定律如圖3所示，入射角為θi，反射角為θ′i，折射角為θt，兩種介質(zhì)的折射率分別為ni，nt。入射角和折射角之間的關(guān)系為：

圖3 折射定律Fig.3 Law of refraction

即折射角僅與介質(zhì)折射率、入射角有關(guān)［34］。

哈佛大學(xué)YU博士［35］與復(fù)旦大學(xué)周磊教授［36］先后提出了廣義斯涅爾定律。如果兩種介質(zhì)交界面上存在相位突變，那么，折射角與入射角的關(guān)系還與界面的相位梯度有關(guān)。如圖4所示，鄰近的兩條光路均由A折射至B，對于藍(lán)線，界面處的相位突變?yōu)棣?；對于紅線，界面處的相位突變?yōu)棣?dΦ。兩者的相位差為dΦ。根據(jù)費馬原理，兩路光的光程差相同，所以：

圖4 廣義斯涅爾定律Fig.4 Generalized Snell′s Law

代入k0=，整理后得到：

由式（2）～式（3）可知，對于不同波長的入射光，通過設(shè)計界面處的相位梯度，即可調(diào)控折射角θt。

3 超構(gòu)表面陣列的設(shè)計

Si與SiO2這兩種電介質(zhì)材料在紅外波段具有高折射率和低損耗的特點［37］。同時它們可以與現(xiàn)有CMOS工藝兼容，便于大規(guī)模制造，降低器件成本。本文選擇Si納米圓柱和SiO2襯底作為超構(gòu)表面單元，如圖5所示。

圖5 超構(gòu)表面單元的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of metasurface unit

單元結(jié)構(gòu)以SiO2為襯底，高2μm的Si圓柱為表面結(jié)構(gòu)。為了減少衍射級的干擾，單元邊長P設(shè)定為1μm。

Si圓柱可以看作波導(dǎo)，入射光在透過圓柱后，改變的相位Φ如下：

其中：neff為等效折射率，λ0為入射波長，t為波導(dǎo)長度。

波長分別為2.7μm和2.9μm的紅外光從襯底SiO2側(cè)入射，在納米柱出射方向適當(dāng)位置放置接收面。固定其余參數(shù)，僅改變Si圓柱半徑，計算入射光透射率和出射光相位隨納米柱半徑的變化，結(jié)果分別如圖6～圖7所示。

圖6 透射率和反射率隨圓柱半徑的變化Fig.6 Transmittance and reflectance changes with radi?us of cylinder

圖7 出射相位隨半徑的變化曲線Fig.7 Curve of emission phase versus radius of cylinder

圖6為不同波長的紅外光的透射率和反射率隨圓柱半徑的變化曲線。由圖可知，在圓柱半徑小于320 nm時，兩種入射光的透射率都較高，維持在70%以上；當(dāng)圓柱半徑繼續(xù)增大時，入射光的反射率迅速上升，對應(yīng)透射率減小，所以為了確保高透射率，選擇的圓柱半徑不能太大。圖7為波長為2.7μm和2.9μm的紅外光在透過超構(gòu)表面單元后，出射相位隨圓柱半徑的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，Si圓柱半徑從100 nm變化至400 nm時，兩個波長的光的出射相位都可以覆蓋0～2π，而且相同半徑下，不同波長的光對應(yīng)的相位值不同。因此，可以利用多個半徑不同的結(jié)構(gòu)單元組成一個周期，使它對不同波長的光具有不同的相位梯度。

考慮不同波長的光的總透射率和相位變化，選擇半徑r為180，250，300 nm的3個圓柱組成一個結(jié)構(gòu)周期（如圖6～圖7中虛線所示）。周期結(jié)構(gòu)如圖8所示，光從襯底側(cè)入射，一個周期包含3個單元結(jié)構(gòu)，故X方向長度L=3×P，Y方向尺寸為P。在一個周期內(nèi)，波長為2.7μm的紅外光相位隨半徑的改變基本呈線性變化；波長為2.9μm的紅外光相位在r=280 nm左右發(fā)生了突變，從2π突變至0。

圖8 超構(gòu)表面周期結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of periodic structure of meta?surface

本研究中，由于紅外探測器前端光學(xué)系統(tǒng)可以保證入射光垂直入射至超構(gòu)表面，入射角θi=0，器件工作在空氣中，所以折射率ni=1。

根 據(jù) 廣 義 斯 涅 爾 定 律 式（3）［35］，對 于λ0=2.7μm的入射光，一個周期內(nèi)改變的相位約為+π，那么有：

同理，對于λ0=2.9μm的入射光，它在一個周期內(nèi)改變的相位約為-1.2π，對應(yīng)的折射角θt=-35.5°。兩者的折射方向分別位于中心線的兩側(cè)，在接收面的不同位置可以得到兩束折射光的能量最大值。

4 分光效果討論

在選擇適當(dāng)?shù)慕邮掌矫嫖恢眉耙r底厚度后，通過計算獲得分光后的能量分布情況，結(jié)果如圖9所示（彩圖見期刊電子版）。圖中在Y方向上排列了3個周期，組成3μm×3μm的大像素。

圖9 接收面的能量分布Fig.9 Energy distribution on receiving surface

圖9（a）和9（b）分別是波長為2.7μm和2.9 μm的紅外光單獨入射超構(gòu)表面后接收面的能量分布，越接近紅色，表示此處能量越大。圖9（c）表示兩種波長的混合光一同入射后接收面的能量分布曲線。圖9表明兩種波長的紅外光單獨入射后，接收面的能量分布不再均勻，出射光有較明顯的偏折。對于波長為2.7μm的紅外光，其折射光能量集中于接收面右側(cè)，中心線大約在1000 nm處；波長為2.9μm的紅外光折射光能量集中在接收面左側(cè)，中心線大約在-1000 nm處?；旌瞎馊肷浜?，兩種光的能量峰值發(fā)生了明顯的分離。波長為2.7μm的折射光光能集中在X=2500 nm處，波長為2.9μm的折射光光能集中在X=1000 nm處。由此表明，該超構(gòu)表面可以分離波長為2.7μm和2.9μm的混合光。這與圖9（a）、9（b）中不同區(qū)域的顏色分布對應(yīng)。此外還發(fā)現(xiàn)，一種光能的峰值對應(yīng)了另一波長的光能極小值，峰谷值相差兩倍以上，這可以增強能量分辨率。

若在接收面放置傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)紅外探測器，那么探測器的不同位置可以獲得波長不同的光信號。這種耦合能夠?qū)崿F(xiàn)紅外雙色探測器，而且避免了臺面結(jié)構(gòu)紅外雙色探測器組分不易控制、占空比小的問題［4-5］。這也是未來超構(gòu)表面紅外分光陣列的發(fā)展方向之一。

需要注意的是，紅外探測器與超構(gòu)表面之間存在一定距離，在耦合過程中，需要將對應(yīng)像元與分離后的單色光照射區(qū)域精確對準(zhǔn)，避免產(chǎn)生信號干擾；同時結(jié)合光束分離角，控制探測器與超構(gòu)表面的垂直距離，以優(yōu)化占空比。

5 結(jié)論

本文針對疊層雙色紅外焦平面探測器的研制難點，提出了采用超構(gòu)表面分光陣列實現(xiàn)雙色探測的方法。利用Si和SiO2組成的電介質(zhì)超構(gòu)表面單元進行Si納米柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。陣列的單個周期包含3個單元，圓柱半徑分別為180，250，300 nm，初步實現(xiàn)了分離波長為2.7 μm和2.9μm的紅外光超構(gòu)表面分光陣列。該超構(gòu)表面的單個周期僅有3μm，具有高透射率、低反射率、微型化的特點，未來可以與紅外探測器耦合，制備像素級雙色以及多色紅外探測器。

從計算結(jié)果來看，現(xiàn)有設(shè)計中能量密度有一定的展寬，說明陣列分光有色散，還不能將一個波長的光能完全集中于中心波長。在后續(xù)的設(shè)計和實驗中應(yīng)從介質(zhì)材料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸和陣列分布等方面優(yōu)化，以減少非目標(biāo)波長的干擾。