電子科大團隊制備新型圓偏振光探測器，既能覆蓋紅外波段又能探測全偏振信息，可廣泛用于多維光場片上感知領(lǐng)...
近日，電子科技大學光電科學與工程學院教授魏靜軒和合作者，制備出一種可片上集成的圓偏振光探測器。目前，這一成果已進入新原理驗證階段，基于魏靜軒手頭的數(shù)據(jù)，他對于實現(xiàn)大規(guī)模制造和環(huán)境測試十分有信心。預計該成果最有可能在偏振成像領(lǐng)域率先實現(xiàn)應用。當前市面上的產(chǎn)品是在可見光波段，而且只能探測線偏振光。而該團隊的方案可以覆蓋紅外波段，并能實現(xiàn)包括線偏振和圓偏振在內(nèi)的全偏振信息探測。另外，這項成果也可用于藥物分析、空間光通訊、以及量子光學等領(lǐng)域。魏靜軒表示：“相比當前體積笨重的探測設備，我們的方案在集成度和穩(wěn)定性方面將具有一定的優(yōu)勢?！?/span>近日，相關(guān)論文以《用于中紅外自旋光的幾何無濾波器光電探測器》（Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light）為題發(fā)在 Nature Photonics 上，Nature Photonic 也同期發(fā)表了題為“Geometry speaks out”的 News&Views 評論文章。圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Photonics）魏靜軒是第一作者，新加坡國立大學電氣與計算機工程系教授 Chengkuo Lee 和仇成偉教授擔任共同通訊作者，諾獎得主&新加坡國立大學先進二維材料中心康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）教授是共同作者之一 [1]。從幾何和對稱性出發(fā)，魏靜軒做出了這種新型的圓偏振光片上探測器。對于光來說，大家可以直觀感受到的是光強和顏色，顏色反映的其實是光的波長信息。而魏靜軒探索的則是光的偏振，這也是光的一個重要維度信息，但卻并不為大眾所熟悉。簡單來說偏振反映的是：光作為一種電磁波的內(nèi)部電場矢量方向。以釣魚者常用的釣魚眼鏡為例，其利用光的偏振原理，讓人在戴上之后可以去除掉水面上的鱗光，清楚地看到水下的情況。背后原理在于鱗光作為外界光源（太陽光）在水面上的反射光，具有較為明顯的偏振方向，這時就能使用方向與之垂直的偏振濾波片將其濾掉。自然界中還有一些鳥類、昆蟲和海洋動物，也可以直接看到偏振光，以用于判別太陽方位、尋找藏匿的獵物目標等。更進一步地說，如果光的電場方向在傳播過程中沿著某一條直線不變，那就是所謂的線偏振光；而如果電場方向在傳播過程中是不斷發(fā)生旋轉(zhuǎn)的，那就是所謂的圓偏振光。不過，這兩種偏振光的探測難度卻并不相同。2017 年，索尼公司發(fā)布一款型號為 IMX250MZR 的線偏振光探測器。然而，在探測圓偏振光的商用產(chǎn)品領(lǐng)域里，至今仍是一片空白。“螺旋性”，是圓偏振光電場矢量的特點。一般來說，圓偏振光和圓偏振光探測器很像是螺絲與螺母的關(guān)系。當我們擰螺絲時，螺絲會順時針或逆時針轉(zhuǎn)動。而為了匹配螺絲，螺母中的螺紋就要有相同的螺旋性，否則螺絲就無法嵌入。同樣的，圓偏振光探測器中往往包含有螺旋的三維結(jié)構(gòu)，而這比探測線偏振光所需的二維平面周期條帶結(jié)構(gòu)要復雜得多。拋開技術(shù)難度不談，一個好的圓偏振光探測器應該具有哪些特點？除了較高的響應度和信噪比之外，魏靜軒認為應該具有如下兩個特征：其一，對具有不同手性的圓偏振光即左旋光和右旋光，需要有足夠大的區(qū)分度；其二，受其他偏振分量比如非偏振光以及線偏振光的影響要小，最好只對圓偏振分量做出響應。這樣一來，研究目標可以被凝練成一條簡潔的要求：圓偏振光探測器的信號強度，應該只與 Poincaré 球中的緯度也就是斯托克斯參量中的 S? 分量成正比（見圖 1）。針對該目標，魏靜軒從幾何角度和對稱性角度出發(fā)，實現(xiàn)了極大圓偏振光的區(qū)分度。圓偏振光探測器的一個基本要求，在于能夠區(qū)分具有不同手性的圓偏振光，也即左旋光和右旋光。而該工作的亮點在于，基于光學諧振結(jié)構(gòu)的近場手性以及具有矢量特征的光電響應，可以實現(xiàn)理論上無窮大的區(qū)分度，借此突破了傳統(tǒng)設計的極限。緣何達成這一突破？如圖 2，以具有單一鏡面對稱軸的平面結(jié)構(gòu)為例，在對整個系統(tǒng)做 x 到-x 操作后，圓偏振光的手性和垂直于鏡面對稱軸的矢量（Jx）都會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即左旋光和右旋光分別對應不同符號的 Jx，由此得到的區(qū)分度將達到無窮大。與之成對比的，吸收（Abs.）因為是標量，所以不存在對圓偏振光的選擇性。簡而言之，這項工作的第一個重要結(jié)論是：非螺旋性結(jié)構(gòu)可被用于探測具有螺旋性的圓偏振光，相比傳統(tǒng)螺旋結(jié)構(gòu)它具有更大的圓偏振光區(qū)分度。緊接著，魏靜軒就發(fā)現(xiàn)一個問題，所設計的結(jié)構(gòu)雖然對圓偏振光的敏感性非常高，但同時也對線偏振光十分敏感。這就帶來一個問題：如果入射光的信息是未知的，那么當測到信號時，就不能確定究竟是由線偏振光引起的，還是由圓偏振光引起的。原因在于，不同偏振態(tài)之間存在串擾，而魏靜軒要做的就是盡量降低這種串擾。他注意到，圓偏振光和線偏振光具有不同的旋轉(zhuǎn)對稱性。比如，對于圓偏振光來說，無論對它旋轉(zhuǎn)多少角度，它依然是圓偏振光且具有相同的螺旋性，這就好像是螺絲無論怎么旋轉(zhuǎn)，依舊可以與螺母適配。然而，這并不適用于線偏振光。當魏靜軒對其進行旋轉(zhuǎn)時，它的所謂偏振角會隨之發(fā)生變化，這就好像是我們站著可以進到門內(nèi)，但如果橫躺著就要被門框卡住。針對兩者在旋轉(zhuǎn)對稱性上的不同，可以對器件結(jié)構(gòu)進行幾何化設計，讓線偏振光的總貢獻互相抵消直到接近于 0。同時，保證圓偏振光在器件各個位置的貢獻可以互相累加，借此實現(xiàn)高選擇性的光電響應（圖 3）。當然，除了下圖中的環(huán)形結(jié)構(gòu)，還可以設計成半環(huán)形以及 L 型等幾何結(jié)構(gòu)。達成前面兩項階段性成果之后，讓課題組已經(jīng)實現(xiàn)了起初提出的設計目標：圓偏振光探測器的信號強度應只與 Poincaré 球中的緯度，也即斯托克斯參量中的 S? 分量成正比。后來，魏靜軒發(fā)現(xiàn)如果將石墨烯加工成條帶，那么器件的響應度在實驗上將會有大約 5 倍的提升。最終在 4 微米波長光源照射下，他測到的室溫響應度最高達到 98V/W，對應于單個光學諧振結(jié)構(gòu)的實際響應度為 392V/W，橢圓度探測率最低達到 0.03°Hz?1/2。事實上，此次所研發(fā)的器件，其工作模式類似于光伏電池，光照可以產(chǎn)生開路電壓和短路電流。也就是無需外部供能，光照本身就能讓器件工作。在全球范圍內(nèi)，傳感器數(shù)量仍在迅速增長，如何給這些傳感器供能逐漸成為一大難題。而本次魏靜軒設計的器件，不僅耗能極低甚至可以自供能。傳統(tǒng)的圓偏振光探測器設計，都是基于具有手性的結(jié)構(gòu)或材料。但是本次工作卻使用不具有手性的納米光學結(jié)構(gòu)，乍一看甚至會讓人覺得是反常識的。然而正是這種創(chuàng)新性方法——即將不具有螺旋性的結(jié)構(gòu)用于圓偏振光探測，反而其性能遠超基于螺旋性結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設計。由于此次工作基于亞波長結(jié)構(gòu)的近場光，因此可以突破波長的衍射極限，從而為高分辨偏振探測器的發(fā)展提供更多可能性。更有趣的是，背后機理也并非來自于測試系統(tǒng)的手性，而是源于器件中矢量性的光電流輸出。相比于傳統(tǒng)設計中基于標量光電流的輸出，該工作的圓偏振光區(qū)分度要大得多。此外，此次器件被設計在中紅外波段，因此不需要額外的液氮制冷，在室溫條件下就能工作，對于中紅外探測器來說這是一個很大的突破。同時，該器件也能在無需偏壓的條件下工作，故有望帶來極低能耗甚至零能耗。本次研究的淵源，最早可追溯到魏靜軒讀博的第二年。當時，他在研究金屬光學諧振結(jié)構(gòu)和石墨烯組成的器件體系時，發(fā)現(xiàn)了一種具有矢量特征的光電響應，即器件中的光電流可以在二維平面內(nèi)的任一方向流動。理論分析表明，這種響應竟然與金屬光學諧振結(jié)構(gòu)的近場分布有關(guān)。形象一點來說，就是金屬光學諧振結(jié)構(gòu)將它周圍的光搬運了大概幾百納米的距離。進行大量文獻調(diào)研之后，他將之稱為“人工體光伏效應”，相關(guān)論文發(fā)在 Nature Communications 上 [2]。隨后，他和所在團隊將其用于線偏振光的探測中，相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Photonics 上 [3]。當時，魏靜軒還沒想好如何將器件用于圓偏振光探測。他說：“2019 年，恰逢陳楊師兄從美國來到新加坡，他當時剛發(fā)表過一些圓偏振光在亞波長結(jié)構(gòu)中的近場效應的相關(guān)論文。具體來說，他設計了一些非螺旋性的平面結(jié)構(gòu)，可以將圓偏振光在納米尺度下分離，并且左旋光和右旋光被分離的方向是相反的?！?/span>但是這種分離過于微弱，而且無法反映在反射譜和透射譜上。在和魏靜軒交流之后，他們很快意識到矢量光電流或許是讓這一發(fā)現(xiàn)變得有用的關(guān)鍵因素。隨后，他們設計的一些器件也驗證了上述想法，并獲得了遠超傳統(tǒng)圓偏振光探測器的卓越性能，甚至打破了此前的區(qū)分度極限。接著，他們廣泛調(diào)研了光學、物理、以及材料領(lǐng)域所有與圓偏振探測有關(guān)的工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)好幾個研究方向幾乎都是獨立地發(fā)展，其實可以通過簡單的對稱分析將它們統(tǒng)一起來。簡單來說，標量是宇稱變換的不變量，而矢量則可以是變量，這就是為什么非螺旋結(jié)構(gòu)中的矢量性光電流，可被用于圓偏振光探測的原因。魏靜軒說：“研究伊始，我們對于圓偏振光探測器領(lǐng)域是完全陌生的，全仗著一股初生牛犢不怕虎的勁頭，才沒有受到傳統(tǒng)思維的束縛。直到現(xiàn)在，我依然覺得我們的設計不算是'新’知識，而是某種被'遺忘’或被'忽略’的知識。”同時，這也是他第一次與諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）合作。Konstantin Novoselov 因發(fā)現(xiàn)石墨烯于 2010 年獲得諾貝爾物理學獎，2019 年加入新加坡國立大學。由于該研究使用石墨烯作為載體，所以魏靜軒也特意向 Novoselov 請教相關(guān)的機理問題?！八麑ξ覀兊脑O計非常喜歡，同時也提了很多建設性的意見，對于論文細節(jié)的打磨也是嚴格把關(guān)。而且他經(jīng)常能將不同領(lǐng)域的學術(shù)研究聯(lián)系起來并一眼看到背后本質(zhì)?！蔽红o軒說。另外，之前做研究時魏靜軒主要關(guān)注問題的邏輯本身，但他發(fā)現(xiàn)對外講解成果時，總是很難給人留下印象深刻的記憶點。為此在本次工作中，他做了多種不同形狀、不同功能的器件，當大家看到環(huán)形結(jié)構(gòu)（圖 3）時，都會贊嘆不已直呼“顏值高”。“直到這時我才發(fā)現(xiàn)，原來在最講究理性的科學研究里，大家也有'感性’的的一面?？梢?，好看的器件本身就會'說話’。雖然這并不是我們最好的設計，但是最后還是決定將這個器件作為論文的第一張圖來解釋工作原理?！蔽红o軒表示。如前所述，此次論文屬于一系列工作中的第三篇。簡單來說，第一篇建立了相關(guān)理論基礎并做了實驗驗證 [2]，第二篇則主要針對線偏振光探測器進行設計 [3]，最近這篇則主要針對圓偏振光進行設計。事實上，在設計思路上還有廣闊的發(fā)展空間。未來，魏靜軒將在入射角度、波長、光渦旋探測等方面繼續(xù)探索，力圖實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，魏靜軒也已回國并加入電子科技大學光電科學與工程學院，以劉永教授為負責人的光電子器件與應用技術(shù)團隊。盡管已經(jīng)離開新加坡，但他將在國內(nèi)繼續(xù)推進這一系列的研究。他說：“我們這個器件在設計之初，就考慮到了大規(guī)模制備的可行性。目前晶圓級的石墨烯生長技術(shù)已經(jīng)很成熟，因此這種設計應該可以方便地進行大規(guī)模制備測試。不過也存在一些問題，比如我們需要根據(jù)器件的零偏壓、低噪聲等特點設計一些專門的集成讀出電路?！?/span>事實上，最早從南京大學本科畢業(yè)時，魏靜軒并未想過做科研，所以當時放棄了直博，轉(zhuǎn)而去德國耶拿大學讀碩士。他說：“耶拿大學所在的耶拿市，是世界聞名的光學之城，誕生了蔡司、肖特、Jenoptik 等諸多光學巨頭公司，產(chǎn)學研氛圍濃厚。在德國的三年里，我逐漸發(fā)現(xiàn)做科研是一件非常有樂趣的事?！?/span>在德國期間，他認識到光學作為一個非常古老的學科，創(chuàng)新依舊層出不窮，有望在 21 世紀實現(xiàn)“光子學時代”。自那時起，魏靜軒正式?jīng)Q定從事科研工作。后來，在新加坡國立大學讀博并完成博后研究。而如今，已經(jīng)入職電子科技大學的他，還有更多科研藍圖等待描繪。他繼續(xù)說道：“讀書時身邊就有很多電子科大畢業(yè)的同學，后來也專門回國來電子科大參觀。此外，成都這座城市也給我和家人留下了非常好的印象——開放、包容、熱情、溫暖，這里確實是'一座來了就不想走的城市’?！?/span>參考資料：
1.Wei, J., Chen, Y., Li, Y.et al. Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light. Nat. Photon. 17, 171–178 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01115-7
2.Zero-bias mid-infrared graphene photodetectors with bulk photoresponse and calibration-free polarization detection. Nat Commun 11, 6404 (2020)
3.Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photon. 15, 614–621 (2021)
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