偏振作為光的一種基本屬性，在成像，通信，傳感等光學(xué)幾乎所有領(lǐng)域中都扮演著重要的角色。譬如就成像而言，光的偏振，作為光的第三維度，可以提供強(qiáng)度和顏色之外的信息。偏振相機(jī)可以具有穿云透霧以及洞察結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力等功能。

但是，光學(xué)偏振的探測(cè)卻并不很容易。目前商用的探測(cè)器基本都只對(duì)光強(qiáng)和顏色敏感，如需探測(cè)偏振則要在鏡頭前加一些波片以及偏振片。這聽(tīng)起來(lái)似乎很容易。但實(shí)際上，因?yàn)橥暾墓馄裥畔怂膫€(gè)自由度（可以用斯托克斯參量來(lái)表示），所以我們需要不止一套波片和偏振片的組合。如何方便地對(duì)各種偏振分量進(jìn)行測(cè)量就成了實(shí)際中的一個(gè)核心問(wèn)題。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)有一些方法被提出，但他們都存在著一些問(wèn)題：

（一）分時(shí)成像方法。這種方法采用轉(zhuǎn)輪的方式，在時(shí)間順序上依次獲取不同偏振態(tài)的圖像。因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)較復(fù)雜，不好進(jìn)行片上集成以及時(shí)間分辨率有限，這種方法的前景并不被看好。

（二）分振幅成像方法。這種方法通過(guò)一系列偏振光學(xué)元件將不同偏振分量的光在空間上分離開，然后用多個(gè)探測(cè)器分別進(jìn)行探測(cè)。該方法具有全斯托克斯測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，但是其原理要求器件必須具有較大的空間體積，以便不同分量的光通過(guò)空間傳播一定距離后得以分離，所以也無(wú)法做到真正的片上探測(cè)。

（三）分焦平面成像方法。這種方法在成像焦平面的探測(cè)器陣列頂部加工了圖案化的線柵微偏振器。這種方法目前已經(jīng)被商用，但其仍存在無(wú)法提供完整偏振信息以及無(wú)法處理中長(zhǎng)波段（特別是中遠(yuǎn)紅外）的缺點(diǎn)。

除了上面三種方法，最近還有一種方法越來(lái)越多地得到大家的關(guān)注，那就是自身對(duì)偏振敏感的光電探測(cè)器。因?yàn)椴恍枰饧硬ㄆ约捌衿裙鈱W(xué)元件，此類功能性光電探測(cè)器不會(huì)受到像素串?dāng)_的影響，從而使其能夠以超高像素密度進(jìn)行偏振成像。這背后的原理是基于材料或者結(jié)構(gòu)的各向異性吸收。但因?yàn)檫@個(gè)原理的限制，器件的偏振比（Polarization ratio）普遍不高。

為了解決這一問(wèn)題，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)目前偏振敏感的光電探測(cè)器進(jìn)行了歸納梳理，發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的偏振響應(yīng)，文中被稱為“單極性”和“雙極性”偏振響應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出一套基于石墨烯中非局部矢量光電流的方案，通過(guò)改變一對(duì)納米天線的角度，可以實(shí)現(xiàn)這兩種偏振響應(yīng)的切換。

這個(gè)工作揭示了偏振比的值可在1→∞/-∞→-1范圍內(nèi)遍歷，而非以往大家通常以為的正值，如下圖中This Work所對(duì)應(yīng)區(qū)域所示。其中，無(wú)窮大的偏振比在單極性和雙極性偏振響應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上取得。

對(duì)偏振敏感探測(cè)器的歸納比較。單極化偏振響應(yīng)指光響應(yīng)的符號(hào)不隨偏振方向而改變；雙極化偏振響應(yīng)則指光響應(yīng)的符號(hào)會(huì)隨偏振方向而改變。PR：偏振比。

其相關(guān)成果以 Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition 為題發(fā)表在 Nature Photonics。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研究人員采取了如下三步：

（1）納米天線在納米尺度攪動(dòng)石墨烯中電子流動(dòng)的過(guò)程在以往的工作中一直沒(méi)有辦法得到定量的理解，從而妨礙了器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這里，研究人員創(chuàng)造性地構(gòu)建了一個(gè)基于流體動(dòng)力學(xué)方程的理論模型，比較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

（2）基于上述的理論模型，研究人員可以方便地對(duì)器件的偏振響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這個(gè)工作中，研究人員通過(guò)控制納米天線放置的角度（θ1，θ2），來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振比的值在1→∞/-∞→-1范圍內(nèi)遍歷。

（3）為了克服實(shí)際中可能存在的加工誤差問(wèn)題，研究人員進(jìn)一步提出了一種無(wú)需改變器件結(jié)構(gòu)就可以通過(guò)電調(diào)節(jié)的方式改變偏振比的方法。通過(guò)使用不同材質(zhì)的兩種納米天線，器件的偏振比就可以通過(guò)施加門電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

多層石墨烯作為一種半金屬，除了其非局域定向的光響應(yīng)可以被我們利用實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)的偏振比之外，在零偏壓下其噪聲水平也是很低的。研究人員對(duì)他們的器件進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)最小可以測(cè)到0.02o Hz-1/2的偏振角度變化。

總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)工作在物理和工程兩方面都有重要意義。一方面，納米天線可以在納米尺度下注入電流，從而是研究石墨烯電子學(xué)的很好物理平臺(tái)；另一方面，這里展示的納米天線-石墨烯技術(shù)可以被進(jìn)一步應(yīng)用到對(duì)圓偏振、矢量光束、入射角度乃至光學(xué)渦旋的探測(cè)中，顯示了其在中紅外功能性光電探測(cè)器上的巨大潛力。

論文信息

Wei， J.， Xu， C.， Dong， B. et al. Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photonics （2021）。

新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)學(xué)院博士生魏靜軒為文章的第一作者，通訊作者為仇成偉（Qiu Cheng-Wei）教授和李正國(guó)（Lee Chengkuo）教授。

來(lái)源：公眾號(hào)【中國(guó)光學(xué)】（ID：ChineseOptics）

撰稿人：Keinstein（新加坡國(guó)立大學(xué) 博士生）

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