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红外与激光工程 2021年第1期50卷 78-89页

作者：刘畅王健左璇熊大元华东师范大学上海市多维度信息处理重点实验室上海200241 华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室上海200241

量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度... 详细信息

量子阱红外探测器是继碲镉汞红外探测器之后又一重要的可以在中、长波段和甚长波段工作的红外探测器件。它在长波红外探测、多色探测及其焦平面技术方面表现出比碲镉汞红外探测器更具特色的优势,对量子阱红外探测器的研究将在很大程度上推动我国红外探测器技术的发展。这一探测器的突出优势是其材料均匀性好,制备技术成熟。但是由于量子效率偏低,且无法直接吸收垂直入射红外光,所以需要针对不同的红外探测波段,设计和制备各类光栅或微腔结构来进行光耦合及局域光场增强以有效提升探测器性能。如何更有效提升量子阱红外探测器的光耦合效率,降低暗电流,提高器件工作温度是仍然是目前研究的重点。文中着重介绍和总结了近5年来研究的局域光场增强的新型量子阱红外探测器,从提高探测器光耦合效率、降低器件暗电流和提高工作温度等方面重点讨论各种量子阱红外探测器的新结构和新机理,同时展望了这一探测器的未来发展方向。

关键词：量子阱红外探测器表面等离激元光耦合局域光场增强

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新型亚波长光栅的局域光场增强及折射率传感特性研究

新型亚波长光栅的局域光场增强及折射率传感特性研究

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作者：史超颖河北工程大学

学位级别：硕士

基于亚波长光栅结构的光学折射率传感器在生物医学检测、化学分析、环境监测等领域具有潜在的应用价值。构筑不同的亚波长光栅结构,实现局域光场的增强可以提高结构对光场的束缚能力以及光与物质的相互作用。然而,传统亚波长光栅结构的... 详细信息

基于亚波长光栅结构的光学折射率传感器在生物医学检测、化学分析、环境监测等领域具有潜在的应用价值。构筑不同的亚波长光栅结构,实现局域光场的增强可以提高结构对光场的束缚能力以及光与物质的相互作用。然而,传统亚波长光栅结构的局域光场较弱,在高性能光学折射率传感的应用中受到了限制。本论文针对亚波长光栅中传感性能参数FOM(figure of merit)值、灵敏度(sensitivity,S)和Q因子(Q-factor)低的问题,设计新型亚波长光栅结构,通过光场调控实现局域光场的增强,达到优化传感性能参数的目的。主要的研究成果如下:一、针对光学折射率传感器中FOM值低的问题,设计了双层复合对称亚波长光栅结构,使更多的光场局域在光栅层,提高了光栅对光场的束缚能力。结合本征值信息建立了反射光谱与光栅结构之间的联系。研究结果表明,复合光栅的局域光场随光栅间距的增大而增强,其FOM值为31467。二、针对光学折射率传感器中S低的问题,设计了双层对称凹型亚波长光栅结构,使更多的光场泄漏到待检测液体中,增强了光与物质的相互作用。通过建立结构的物理模型预测光谱的线型变化。研究结果表明,通过控制结构的凹槽深度和凹槽距离可以实现对光场的调控,光与物质相互作用增强的同时结构对光场的束缚能力并未减弱,其S为930 nm/RIU。三、针对光学折射率传感器中Q因子低的问题,设计了双层高对比度亚波长光栅结构,使更多的光场局域在谐振腔中,提高了结构对光场的束缚能力。利用连续域束缚态(Bound states in the continuum,BIC)的强局域效果获得理论上无穷大的Q因子,通过对结构参数进行扰动,将BIC转换为有限但高的Q因子用于双峰传感,实现了两个不同谐振峰位置的同时检测,其Q因子都超过了10～4。

关键词：亚波长光栅折射率传感灵敏度 Q因子局域光场增强

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GaAs基量子阱红外探测器的局域光场增强研究

GaAs基量子阱红外探测器的局域光场增强研究

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作者：刘畅华东师范大学

学位级别：硕士

量子阱红外光电探测器(QWIP)作为第三代红外探测器,因其材料均匀性好、探测波长可调、加工工艺成熟等优点,成为红外探测器领域研究的重点,但是由于量子阱子带间跃迁的工作机制,使其无法吸收垂直入射光并且量子效率较低,这是QWIP实际工... 详细信息

量子阱红外光电探测器(QWIP)作为第三代红外探测器,因其材料均匀性好、探测波长可调、加工工艺成熟等优点,成为红外探测器领域研究的重点,但是由于量子阱子带间跃迁的工作机制,使其无法吸收垂直入射光并且量子效率较低,这是QWIP实际工程应用急需解决的问题。此外,基于智能化的需求和探测场景复杂度的提升,QWIP的偏振探测、多波段探测以及高集成化等成为当前研究热点。本文利用超材料和等离激元微腔结构,使QWIP可以吸收正入射红外辐射并增强了量子阱有源区内的局域光场,提升了量子阱子带间吸收,还实现了圆偏振识别探测、双波段探测以及多周期QWIP的局域光场增强。本文主要内容如下:1.设计了用于圆偏振探测的手性超材料微腔结构。当左旋圆偏振(LCP)光入射时,左手性超材料会激发表面等离极化激元(SPP)效应,使量子阱有源区内局域光场(E)增强,提升了量子阱子带间吸收。同时,左手性超材料会反射大部分右旋圆偏振(RCP)光,对于RCP光吸收较低,圆偏振消光比(CPER)可达9.03。右手性超材料对于RCP光也有类似增强吸收的效果。这种手性超材料微腔结构,不仅可以提高QWIP的量子效率,还能实现圆偏振光的识别探测,具有广阔的应用前景。2.设计了基于双微腔的长波和甚长波叠层双波段QWIP。两个不同工作波段的量子阱材料分别夹在微腔中并上下堆叠形成双微腔结构,对应波长的入射光可以激发微腔共振,使两个量子阱有源区内局域光场都得到增强。两个微腔相互独立,优化单一微腔结构参数不会影响另一个微腔共振,可以适配不同探测波长的QWIP。一般叠层双波段QWIP底部有源区增强效果较低,双微腔结构能保证上下两个量子阱有源区都具有较强的增强效果,这为QWIP双色探测的光耦合结构设计提供了新的思路。3.针对多周期长波QWIP无法有效利用等离激元微腔增强局域光场,设计了一种金波纹背板光栅结构,在13μm的长波红外大气窗口,使12周期的QWIP子带间吸收率达68.4%。通过分析量子阱有源区的局域光场分布,并优化光栅和电极层厚度,保证整个介质层厚度不变的同时进一步增大QWIP周期数,可使20周期的QWIP子带间吸收率提升至76%,比标准45°器件增强了22倍。同时,通过调整金波纹背板光栅的长度,既可以做到任意偏振方向的探测,又可以实现对特定偏振方向的独立识别。

关键词：量子阱红外光电探测器局域光场增强手性超材料微腔双微腔波纹背板光栅

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