人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器

Artificial micro- and nano-structure enhanced long and very long-wavelength infrared detectors

葛浩楠，谢润章，郭家祥，李庆，余羿叶，何家乐，王芳，王鹏，胡伟达

物理学报, 2022, 71(11): 110703.

doi: 10.7498/aps.71.20220380

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人工微纳结构是一种结构尺寸小于或接近电磁波波长的人工材料，其物理性质主要由设计的单元结构及排序方式决定，表现出与自然界材料迥然不同的超常光学调控特性。随着微纳光学理论与微纳加工技术的发展，人工微纳结构对入射光场的振幅、相位和波长等特征多自由度调控能力逐渐引起了人们的广泛关注，已被Science 杂志评选为21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破之一。

长波及甚长波红外探测器在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有着广泛应用。随着应用场景的日益复杂，传统红外探测器在高响应率、高响应速度以及多维探测难以兼顾的现实瓶颈日益凸显，难以满足日益增长的红外探测器性能需求。基于人工微纳结构对光场振幅、相位和波长等特征多自由度调控的能力为红外探测器在量子效率、信噪比、偏振或波长选择性的关键性能提升与探测维度拓展方面提供了可能。一方面，人工微纳结构与光子相互作用激发表面等离激元、局域等离激元激元或陷光效应等光场局域模式将入射光局域在亚波长尺度，提高小光敏面积红外探测器的光收集效率，实现探测器的小型化和集成化，降低红外探测器的尺度、重量和功耗；同时，空间各向异性的表面微纳结构对不同偏振态的入射光有着不同的耦合效率结合不同的光场局域模式，可使非偏振的红外探测器获得高偏振比的探测能力，替代传统的光学偏振片以此减小光学系统体积；另一方面，人工微纳结构内在的特征长度（周期、直径等）决定了其对特定波长有着最佳的耦合效率，设计高品质因子的人工微纳结构可使探测器具有光谱分辨的能力，实现气体探测。

然而值得注意的是，人工微纳结构与当前红外探测器结合仍存在原理性问题与技术性挑战，如微纳结构制备工艺容易污染或损伤材料，大多数微纳增强结构基于单元器件设计，当前人工微纳结构的动态调控能力较弱等，从而限制了人工微纳结构与红外探测器的进一步结合。采用或发展均匀性高、损伤低及与传统半导体工艺相兼容的工艺技术，基于新微纳光学属性的新理论设计微纳结构，采用外场调控手段改变微纳材料自身光学特性等手段设计可动态调控偏振消光比、波长选择、光场聚焦能力的高集成度人工微纳结构，为发展新一代的红外探测器提供了新的解决方案。

《物理学报》2022年第11期“特邀综述”栏目邀请谢润章和王鹏研究团队撰写文章，综述了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展，详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势，进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向，对未来发展方向和途径给出了可供参考的建设性建议。

图1 人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器的几种主要机制及特点

表1 人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器的几种主要机制及特点