近日，深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院教授李佳團(tuán)隊與合作者在光學(xué)領(lǐng)域國際期刊《ACS光子學(xué)》發(fā)表研究成果。該成果創(chuàng)新性地將表面等離激元超構(gòu)表面與有機(jī)光電二極管相互集成，利用超構(gòu)表面對不同光場偏振態(tài)的電磁響應(yīng)特性，以及有機(jī)異質(zhì)結(jié)光電二極管優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化性能，突破了傳統(tǒng)光電探測器只能探測光場強(qiáng)度的限制，在芯片尺度上實現(xiàn)全集成、高精度、超薄、超輕量、低成本、柔性的光場偏振態(tài)探測器。
柔性偏振光電探測器實物圖。研究團(tuán)隊供圖
光電探測器能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳統(tǒng)的光電探測器依賴半導(dǎo)體光電效應(yīng)，可以感知收集到的光子數(shù)量，從而獲取光場的強(qiáng)度信息。除強(qiáng)度以外，光場還攜帶著包括偏振、相位和波長等多個維度的豐富信息。這些信息可以提供更多關(guān)于物體與光相互作用的重要信息。例如，光的偏振態(tài)可以用于分析物體的應(yīng)力、應(yīng)變、形貌等屬性，在生物醫(yī)學(xué)成像、無人駕駛、精確導(dǎo)航等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
然而，傳統(tǒng)探測器若想實現(xiàn)對光場多維信息的感知，需要借助額外的光學(xué)元件和機(jī)械裝置，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣等問題。如何在芯片尺度上實現(xiàn)全集成的光場多維信息探測器成為近年來的研究熱點。
表面等離激元（SPP）是光波與金屬表面自由電子集體振蕩耦合形成的電磁模式，其獨特性質(zhì)使其成為調(diào)控光與物質(zhì)相互作用的理想媒介。SPP的激發(fā)依賴入射光的偏振態(tài)，TM偏振光能激發(fā)SPP共振并顯著增強(qiáng)光吸收，而TE偏振光則使SPP激發(fā)效率極低，這一特性為高精度偏振分辨提供了物理基礎(chǔ)。
李佳團(tuán)隊利用一維金屬光柵作為SPP激發(fā)平臺，并將其作為電極直接集成于有機(jī)異質(zhì)結(jié)光電二極管中，通過“超構(gòu)-有機(jī)界面協(xié)同設(shè)計”，成功在近紅外波段實現(xiàn)SPP共振與有機(jī)異質(zhì)結(jié)的協(xié)同匹配。
實驗表明，在SPP激發(fā)下，有機(jī)光電探測器TM偏振光響應(yīng)較TE偏振光提升近13倍，線性偏振比高達(dá)0.8（理論極限為1），達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
此外，研究團(tuán)隊還驗證了SPP共振對光響應(yīng)的調(diào)控機(jī)制，并進(jìn)一步開發(fā)了柔性偏振探測器。測試發(fā)現(xiàn)，該器件在彎曲條件下仍保持優(yōu)異的偏振響應(yīng)能力，為可穿戴設(shè)備、曲面偏振成像、曲面導(dǎo)航等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。未來，該技術(shù)可拓展至相位、波長等多參數(shù)同步探測，在自動駕駛激光雷達(dá)、醫(yī)學(xué)偏振成像、柔性電子等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00279
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