基于SP增强吸收的非制冷LWIR/VLWIR双色探测器研究

To figure out issues including the diffraction limitation and detector materials for long-wave infrared(LWIR) and very long-wave infrared(VLWIR) dual-band detector, we propose a utilization of surface palsmonic-enhanced absorption to realize LWIR/VLWIR dual-band detection with uncooled infrared detectors. The investigation mainly includes: (1) Absorption enhanced structures based on surface palsmon and the mechanism of light-heat conversion; (2) Their applications for dual-band uncooled infrared detector, ways of integration, device physics and performance. This arrangement has merits of: (1) Detector pixel based on absorption enhanced structures can be designed in a smaller size beyond the diffraction limited, increasing the array dimensions. (2) Absorption of the integrated detector can reach more than 90% at target wavelength. (3) Wavelength-selective and broadband properties of absorption enhanced structures broaden the spectral response and bandwidth of the detector. (4) This research will serve as a theoretical and technical underpinning for low cost and large array dual-band uncooled infrared detector.

为解决长波（LWIR）-甚长波红外(VLWIR)双色探测器发展中面临的材料受限、衍射极限等问题，项目提出利用表面等离激元（SP）增强吸收实现非制冷红外探测器的长波-甚长波红外双色探测。主要研究内容：（1）表面等离激元增强吸收结构与其光-热转换机理；（2）增强吸收结构应用于双色非制冷红外探测器的集成方式、器件物理和性能。其意义：（1）基于增强吸结构的红外探测器可将红外辐射聚集到小于辐射波长的像元上，突破衍射极限、提高探测器规模；（2）基于增强吸结构的红外探测器在目标波长吸收率可达90%以上；（3）增强吸收具有波长选择性且可实现宽带吸收，拓宽了探测器吸收层材料的响应谱段和带宽；（4）非制冷双色探测器的研制为低成本、大面阵双色探测器提供了理论和技术基础。

长波（LWIR）和甚长波红外（VLWIR）探测在军事领域和民用方面都具有广泛应用前景。高性能红外探测器的研制，即可满足军事需求，也可提升民品的水平。要实现双色探测面临材料、响应带宽、衍射极限等问题。随着微纳光学的不断发展，利用表面等离激元（SP）的激发原理可以调控微结构阵列的响应波长范围，实现对长波红外和甚长波红外分别响应设计双色红外吸收。.基于以上背景，本项目开展基于SP增强吸收的非制冷LWIR/VLWIR双色探测器研究，主要研究内容为：1）可实现长波红外和甚长波红外吸收增强的 LSP、 PSP谐振结构、近场增强吸收特性; 2）吸收增强结构的光-热转换机理；3）双色红外探测器像元排列方式及集成、制备工艺。建立了长波和甚长波红外宽谱吸收理论模型，设计并制备了宽谱吸收器，测试获得了长波/甚长波两个波段的吸收率达到90％以上。设计并制备了双色非制冷红外探测器。将宽谱吸收器与非制冷红外探测器微桥集成，根据吸收增强结构的光-热转换机理，调整优化微桥的膜层厚度，制备双色红外探测器，测试获得长波、甚长波平均吸收率约为80％。基于本项目研究内容，发表SCI论文14篇，会议论文1篇，获授权发明专利11项，培养博士生3名、硕士生3名。.将长波、甚长波红外吸收器与热红外探测器进行像元级集成，可以提供高吸收率，同时具有超薄的膜厚及低热容，能够极大地提高器件及系统性能，可以解决由于像元尺寸的减小以及相应波长进一步向太赫兹波的扩展所带来的衍射受限问题，在长波红外、甚长波红外探测领域有很大应用潜力。