На | Компания Hubei Hall Sensor Group Co., Ltd.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4560 (2022 г.) Цитировать эту статью

6544 Доступа

21 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Встроенные поляриметры весьма желательны для ультракомпактных оптических и оптоэлектронных систем нового поколения. Поляризационно-чувствительные фотодетекторы, основанные на анизотропном поглощении природных/искусственных материалов, стали многообещающим кандидатом для встроенных поляриметров благодаря их бесфильтровой конфигурации. Однако эти фотодетекторы можно применять только для обнаружения линейно или циркулярно поляризованного света, что неприменимо для полностоксового обнаружения. Здесь мы предлагаем и демонстрируем трехпортовые поляриметры, включающие встроенные в кристалл хиральные плазмонные метаматериалы, опосредованные фотодетекторами среднего инфракрасного диапазона для полного стоксова обнаружения. Управляя пространственным распределением хиральных метаматериалов, мы могли бы конвертировать поляризационно-разрешенное поглощение в соответствующие поляризационно-разрешенные фотонапряжения трех портов посредством фототермоэлектрического эффекта. Мы используем разработанный поляриметр для демонстрации изображений, демонстрирующих надежную способность восстановления поляризации. Наша работа предлагает альтернативную стратегию разработки фотодетекторов с поляризационным разрешением и рабочим диапазоном, независимым от запрещенной зоны, в среднем инфракрасном диапазоне.

Состояние поляризации (SoP), характеризующее колебания электрического поля, важно для приложений, связанных с оптикой, таких как оптическая связь, дистанционное зондирование и навигация1,2,3. Поляризационные детекторы среднего инфракрасного (среднего ИК) диапазона особенно привлекательны из-за их широкого применения в химическом анализе, биомедицинской диагностике и распознавании лиц4,5,6. На протяжении десятилетий традиционные подходы к обнаружению поляризации включали разделение времени, разделение амплитуды, разделение апертуры и разделение фокальной плоскости, что обычно требует комбинации линейных замедлителей, поляризаторов, полуволновых пластинок. и четвертьволновые пластинки7,8. Однако такие громоздкие и сложные оптические системы, использующие поляризатор в свободном пространстве, имеют внутренние недостатки, такие как ограниченная скорость, ограниченная точность и неполное обнаружение состояния поляризации9. Недавние достижения в области низкоразмерных нанофотонных технологий открыли интересные подходы к разработке поляриметров следующего поколения10,11. В качестве потенциального кандидата на роль компактных поляриметров следующего поколения встроенные поляризационно-чувствительные фотодетекторы в последнее время широко изучаются благодаря их преимуществам, включая высокий уровень миниатюризации и сверхвысокую плотность интеграции.

На сегодняшний день один из основных подходов к обнаружению SoP основан на структурной анизотропии или хиральности природных материалов. В целом, фотодетекторы для обнаружения линейной поляризации основаны на анизотропном поглощении одномерных нанопроволок или двумерных материалов Ван-дер-Ваальса12,13,14, тогда как фотодетекторы для обнаружения круговой поляризации основаны на киральном поглощении света в органических полупроводниках и гибридных перовскиты15,16, спиновый фотогальванический эффект в топологических изоляторах или полуметаллах17,18,19,20, обратный спиновый эффект Холла на границе раздела металл-полупроводник21,22 и спин-зависимая рекомбинация электронов проводимости23,24. Однако применение этих поляризационно-чувствительных фотодетекторов затруднено внутренними ограничениями, такими как спектральные отклики, зависящие от запрещенной зоны, химическая нестабильность и низкая поляризационная чувствительность, связанная с небольшой анизотропией или киральностью. Кроме того, большинство этих поляризационно-чувствительных фотодетекторов работают только для обнаружения линейной или круговой поляризации света, но не могут быть применены для полностоксового обнаружения. Поскольку искусственные структуры могут достигать сильной анизотропии и киральности, а также обладают большой гибкостью конструкции и конфигурацией без фильтров, такие функциональные фотодетекторы, созданные на основе искусственных структур, могут реализовать компактную поляриметрию для обнаружения поляризованного света, а также поляризационное изображение с потенциально сверхвысокой плотностью пикселей. Использование искусственных структур, интегрированных с активными материалами, является еще одним основным подходом к обнаружению SoP. Этот подход привел к созданию поляризационно-чувствительных фотодетекторов, работающих в режимах рассеянного, поглощенного и направленного излучения25. Например, плазмонные метаматериалы с поляризационно-селективным усилением поля были интегрированы с полупроводниками для генерации поляризационно-чувствительных фототоков26,27. Однако большинство предыдущих детекторов полагались на фотопроводящий или фотоэлектрический эффект, который требует согласования между резонансной длиной волны плазмонных метаматериалов и шириной запрещенной зоны полупроводников7,28. Следовательно, весьма желателен эффективный способ передачи сильной анизотропии и киральности электрическим показаниям без ограничения рабочей длины волны шириной запрещенной зоны активных материалов.

2, the device shows a bipolar photoresponse (Fig. 3e). In the same way, a series of devices with various distribution area ratios A2/A1 were fabricated and their circular polarization-dependent photoresponses were measured by rotating a quarter-wave plate (QWP) (see Supplementary Figs. 16, 17). We also compare our experimental results of the QWP angle-dependent photoresponses with the calculation in Fig. 3f. Four fabricated devices with A2/A1 = 0, 0.33, 0.67, and 1 exhibit a g-factor of 0.44, 1.26, 22, and +∞, respectively. This indicates a configurable polarity transition for the circular polarization-sensitive detection. It is worth noting that, owing to the phase shift of linear polarization-dependent absorption between LH and RH metamaterials as shown in Fig. 2d, the relative orientation angle α should be set as 20° to eliminate the linear polarization component from the QWP angle-dependent photoresponse. This results in a pure circular polarization-resolved photovoltage response, which can be fitted by a standard Sine function (Supplementary Fig. 17). We note that the change of QWP angle from 45° to 135° corresponds to an ellipticity angle change from 45° (LCP) to −45° (RCP) along with chirality and ellipticity changes. The photovoltage response of the device with A2/A1 = 1 and α = 20° shows a monotonic relation with QWP angle in the range of 45°−135°, and a sign-flipping at 90°, indicating the ability of simultaneous detections of the chirality and the ellipticity. In addition, the QWP angle-dependent photovoltage response shows a robustness to the linear polarization angle θ (Supplementary Fig. 18). Therefore, by geometrical configuration such as changing the distribution area ratio and the relative orientation angle, the designed device can not only distinguish the LCP and RCP light, but also directly detect the chirality and ellipticity, simultaneously. More detailed comparisons with the existing linear and circular polarization-sensitive photodetectors are provided in Supplementary Tables 2, 3./p>100:1) and tunable wavelength in the range of 4–8 μm combining a serious half-wave plate and quarter-wave plate, and then focused on the samples using a zinc selenide IR focusing lens with a focal length of 50 mm. The generated photovoltage was then recorded by a highly sensitive source meter unit (Keysight, B2912A). For the low-temperature photoresponse measurement, the device is mounted in a vacuum cryostat with a temperature controller. Here, we have selected three typical wavelengths in this work based on the operating wavelength of the half-wave plate and quarter-wave plate, 4.5 μm (Thorlabs, WPLH05M-4500 and WPLQ05M-4500), 5.3 μm (Thorlabs, WPLH05M-5300 and WPLQ05M-5300), and 7.0 μm (Edmund, #85-121 and #85-114). The voltage noise is measured by using a lock-in amplifier (Zurich Instruments, HF2LI). The voltage data were collected within 1 min with a time constant of 1 s and a typical internal reference frequency. The low-frequency (<1 kHz) temporal photoresponse for response speed analysis was measured using an oscilloscope (Keysight, DSOX3054T) with the signal pre-amplified (Stanford Research Systems, SR570) and an optical chopper (Thorlabs, MC1F10A)./p>