近日，我院易飛副教授課題組關于超表面集成式微測輻射熱計研究成果發表在光學領域重要期刊Optics Express（影響因子3.894），題為“Metamaterial microbolometers for multi-spectral infrared polarization imaging”，我校為論文第一和通訊單位，博士生蔣順為論文第一作者，易飛副教授為論文通訊作者（詳見https://doi.org/10.1364/OE.452981）

自上個世紀九十年代以來，非制冷紅外探測技術取得了重大的進展。與制冷型的紅外光子型探測器相比，非制冷紅外探測器能夠工作在室溫條件，無需消耗額外的成本制冷，因此在性能、體積、重量和功耗等方面具有獨特的優勢。盡管如此，非制冷紅外探測器的工作原理上基于紅外光的熱效應，對溫度的變化進行探測，因此其本身對光強之外的信息如光譜和偏振并沒有特别的響應手段，需要依賴濾光片和偏振片等附件進行光譜和偏振探測，這就造成了系統體積增大、不穩定性增加、成像速度慢等問題。

為了解決非制冷紅外探測器無法在像元層次分辨光譜和偏振信息的問題，本論文采用了将超表面（metasurface）吸收體集成到微測輻射熱計像元上的方法。超表面是一種亞波長尺度的人工制造的結構，通過對其結構的設計，能夠實現對電磁波振幅、頻率、相位、偏振等特性的靈活調控。得益于半導體加工工藝水平的提高，能實現的超表面的加工尺寸越來越小，精度越來越高，極大地推動了超表面的發展與應用。

在該團隊的前期工作中（詳見https://doi.org/10.1364/OE.397868），實現了常規的3μm~5μm和8μm~12μm雙波段的偏振選擇超表面吸收體的設計。在本論文中，為了适用量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）的工作波段，即5.3μm~6μm，重新設計了該工作波段附近的雙波段偏振選擇超表面吸收體。如圖1所示，分别實現了5.150μm~6.422μm之間0.8322的TM模式平均吸收系數和42.24的偏振消光比，以及5.867μm~7.467μm之間0.7720的TM模式平均吸收系數和42.65的偏振消光比。并通過電子束蒸發、電子束曝光等工藝進行了工藝制備。

圖1雙波段偏振選擇超表面吸收體的設計與制備

接下來開展了該超表面吸收體與傳統微測輻射熱計像元的工藝集成，主要工藝步驟如圖2（a）所示。主要使用到的工藝為鍍膜（電子束蒸發、PECVD、離子束濺射等）、刻蝕（ICP等）、圖形化（光刻、電子束曝光等）。其中關鍵的熱敏層材料由武漢光電國家研究中心賴建軍教授團隊協助制備。圖2（b）顯示了制備好的像元的SEM圖和金相顯微鏡照片。圖2（c）為8個像元的電阻随溫度的變化特性，其中電阻溫度系數都大約為-0.012。

圖2超表面集成式微測輻射熱計的工藝流程與像元測試

最後對探測器進行了封裝和測試，圖3展示了光譜特性的測量，測試的響應率與該探測器的吸收曲線吻合良好，兩個波段的探測器分别實現了1.00V/W和1.46V/W的峰值響應率。圖4展示了偏振特性的測量，測試數據與理論預測曲線吻合良好。該結果表面，制備的探測器擁有了超表面吸收體的光譜和偏振選擇能力，并且獲得了極高的集成度。該成果有望推動超表面與傳統探測器結合的進一步研究，實現新型的功能，為未來商用探測器的性能優化提供了新的發展方向。

圖3光譜響應測試

圖4偏振響應測試