基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。     

可调谐超表面的生物分子检测研究进展

超表面作为一种超薄微纳器件具有优良的性能,利用超表面检测生物分子具有越来越广泛的前景。本文调研了可调谐超表面检测生物分子的研究进展,并分别从太赫兹波段、中红外波段、光波段阐述当前的研究成果。本文重点介绍了当前超表面利用外加电压、改变环境温度等实现可调谐的方法,并对超表面检测不同生物分子的性能进行了总结分析,最后给出了可调谐超表面在生物分子检测方面未来发展的机遇与挑战。     

基于电介质超表面的双频带双偏振通道波前调控

随着微纳加工技术的发展,超表面在亚波长尺度对电磁波的多维度调控展现出传统光学器件难以比拟的优势。基于电介质硅纳米柱结构构建了具有双频带响应的超表面,利用微结构对不同偏振入射光反射系数的差异,通过构建梯度几何相位实现了双波长下的异常反射;同时设计了超表面灰度成像阵列,在近红外波段实现了对正交偏振态和双波长入射具有不同响应的正负灰度图像。文中提出的超表面设计为基于超表面的多功能集成技术的发展奠定了基础。     

超表面在微测辐射热计中的应用

超表面突破了传统自然材料的电磁特性限制,同时也解决了三维超材料难以加工实现等瓶颈问题,使器件朝着集成化,小型化,低成本,可调谐的方向不断发展。目前超表面已在许多领域得到了较为广泛的应用,在探测器领域也越来越受到人们的重视,通过独特的材料、结构设计,超表面可有效完成电磁波各项特性的精确调控,通过超表面的集成,微测辐射热计在光吸收增强,器件波段选择改善等方面有了更多的可能性。本文针对超表面及其在微测辐射热计上的应用研究进行了阐述,展现了超表面在这一领域的发展趋势和广阔前景。     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

基于光热载流子调控的二维材料红外与太赫兹探测器研究进展

红外和太赫兹具有非常广阔的应用前景,在光谱学、成像、无线通信和遥感等领域发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外、太赫兹波段的光子能量低,相关的探测遇到很大困难,所以实现高灵敏、高速和高稳定性的红外太赫兹探测是一个具有挑战性的工作。二维材料由于其高迁移率、带隙可调和表面悬挂键少等特点为红外太赫兹探测提供了新的机遇。基于光热载流子调控的二维材料红外、太赫兹探测器的发展方兴未艾。文中主要介绍了目前基于光热载流子调控的红外、太赫兹探测器的最新研究进展,将从材料、器件结构、响应波段和响应机理等方面展开。     

国外专利介绍

非致冷光学成像器件美国专利US7091488 (2006年8月15日授权)为了获得一种无需致冷但具有适当特性的光学成像器件特别是在红外波段工作的光学成像器件,本发明提出了一种无需采用低温装置的红外成像器件。该红外成像器件通过用一列MEM微反射镜对入射在传感器列     

基于超表面的超薄隐身器件

隐身是人类自古以来的美妙幻想和愿望。近年来，随着人工微结构超构材料领域的不断发展，隐身具备了坚实的科学理论基础和实现条件。早期的隐身设计大多数是基于变换光学原理，科学家们利用超构材料实现了渐变的折射率并在多个频段实现了隐身现象。然而，变换光学隐身器件通常具有较大的尺寸且不易制备，这极大地限制了隐身器件的应用和发展。近年来，超表面作为超构材料的二维对应物，由于其轻薄特性、制备容易、以及强大的电磁波调控能力吸引了人们广泛的关注和研究兴趣。利用超表面实现的超薄隐身器件有望解除传统隐身器件对大尺寸和极端参数材料的依赖，进一步推动了隐身领域的发展，并使隐身器件迈向实际应用。文中对近年来基于超表面的超薄隐身器件的相关研究进行了简要的回顾，着重介绍了其隐身原理，实现方法以及优劣势，最后对领域发展前景和方向提出了一些建议。     

非致冷光学成像器件

为了获得一种无需致冷但具有适当特性的光学成像器件特别是在红外波段工作的光学成像器件,本发明提出了一种无需采用低温装置的红外成像器件。该红外成像器件通过用一列MEM微反射镜对入射在传感器列阵上的光束进行调制,使其热噪声的影响减小到了最低限度。它特别适合在摄像机和望远镜中用于红外成像。     

太赫兹动态超表面

太赫兹波段处于微波、毫米波与光波段之间，其相关技术对下一代高速通信、高分辨成像、智能感通一体等多个信息领域的发展具有重要的意义.发展太赫兹应用技术需要对太赫兹波束进行操控和信息加载.动态超表面作为一种新型的实现结构和器件，是实现该功能的重要途径之一.本文将以太赫兹动态超表面的调控功能作为分类依据，从相辅相成的材料、结构、机理及其最终表现的应用演示对幅度调控、相位调控、极化调控、波束调控、高阶非线性调控太赫兹动态超表面5个方面进行了概述，介绍了不同类型动态超表面的相似性与独特性，并对部分工作进行了指标对比.最后，展望了太赫兹动态超表面的发展趋势.本文希望更多学者可以了解太赫兹动态超表面，并促进此领域的发展.     

中红外集成光子传感系统研究进展（特邀）

近年来，中红外（波长范围2~20 μm）集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口，有着作为气体传感应用的先天优势，并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术，一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外，集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度，同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑，易于与其他设备集成的特点。因此，中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍，展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展，并对其未来发展做出了展望。     

基于深度学习的红外弱小目标检测算法研究综述

目标检测技术是安防监控、预警探测、遥感成像等装备的核心要素,也是当前深度学习研究领域的热点之一。红外探测系统通过被动接收物体发射的红外电磁波进行成像,具备温度灵敏度高、探测距离远、被动探测隐蔽性强等优点,在目标探测领域有广泛的应用。文中从红外弱小目标图像的特点出发,针对基于深度学习的视觉图像目标检测算法进行分类描述,并对深度学习在红外弱小目标检测中的有效手段进行总结,最后对未来的发展趋势做出展望。     

中红外硅基调制器研究进展（特邀）

硅材料在1.1~8.5 μm有非常低的吸收损耗,因此硅基光电子学有望扩展到中红外波段。并且随着通信窗口扩展、气体分子检测、红外成像等应用需求的出现,硅基中红外波段器件研发工作的开展势在必行。在中红外波段硅基光电子器件中,硅基调制器有着举足轻重的地位:它是长波光通信链路中不可或缺的一环,还可以应用在片上传感系统中提高信噪比、实现光开关等功能。研究发现,相比于近红外波段,硅和锗材料在中红外波段有更强的自由载流子效应和热光效应,因此,基于硅基材料的中红外调制器具有独天得厚的优势。系统总结了中红外硅基调制器的发展趋势和研究现状,介绍了基于硅和锗材料的电光调制器以及热光调制器的工作原理和最新研究进展,最后对中红外硅基调制器进行了总结与展望。     

Thin Functional Zeolite Layer Supported on Infrared Resonant Nano-Antennas for the Detection of Benzene Traces

Infrared absorption spectroscopy is a powerful analytical tool that enables the identification of molecular species. The sensitivity of this technique, that is strongly limited by the small absorption cross-section of molecular vibration, can be greatly improved by resonant interaction with nano-antennas via the surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) mechanism. However, most of the examples of SEIRA concern solid-state molecular layers adsorbed on the nano-antennas, while the detection of gas traces still remains elusive due to the spatial extent of the near-field that is used to amplify the molecular vibrations resonantly. Here, a hybrid system composed of a plasmonic nano-antenna array coupled with nanosized zeolite coating for detection of volatile organic compounds in the near field of the resonators is demonstrated. The concerted action of the coating and the nano-antennas enabled the authors to detect record traces of benzene (25 ppb) within 10 min. This approach may ultimately allow the fabrication of a compact system for rapid detection of pharmaceutical and biocompounds with high sensitivity and high selectivity.     

红外通道空间分辨率对火点监测应用的影响分析

目前基于卫星遥感的火点探测主要采用千米级分辨率的中红外波段数据,而对红外各波段火点探测灵敏度的定量研究很少,不利于充分发挥红外波段信息在火情监测中的作用。首次利用混合像元分解方法来定量分析分辨率为150 m、300 m和1 km的各红外波段在火点监测应用中的差异。结果表明,150 m分辨率中红外通道比1 km分辨率通道的火点探测灵敏度高30倍左右;300 m分辨率远红外通道可探测百平方米量级的火点;150 m分辨率短波红外通道对高强度明火区反应明显。另外还将气象卫星1 km分辨率以及环境减灾星150 m、300 m分辨率红外数据用于2009年春季黑龙江省逊克县林火和夏季安徽省秸秆焚烧火点的监测个例,从而验证了上述分析结论。结果表明,通过提高红外波段的分辨率,可以明显提升卫星遥感在微小火点探测、火场动态监测以及火势评估等方面的应用能力。     

非制冷型中长波铟砷锑探测器

工作在中、长波红外波段(波长5~12μm)的红外探测器在红外制导、红外成像、环境监测及资源探测等方面有着重要而广阔的应用前景。目前中国军用和民用对这一波段的非制冷型、快速响应的光子型红外探测器有迫切需求。文中用熔体外延(ME)法在InAs(砷化铟)衬底上生长的InAs0.05Sb0.95(铟砷锑)厚膜单晶,制作了高灵敏度、非制冷型、中长波光导型探测器,探测器上安装了Ge(锗)浸没透镜。傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱显示InAsSb材料的本征吸收边出现在波长8μm以后。InAs0.05Sb0.95探测器的光谱响应波长范围为2~9μm。室温下,在波长6.5μm处的峰值探测率Dλp*达到5.4×109 cm·Hz1/2·W-1,在波长8.0μm和9.0μm处的探测率D*分别为9.3×108和1.3×108 cm·Hz1/2·W-1,显示了InAsSb探测器的优越性能及对红外探测和成像的应用前景。     

非制冷红外探测器研究进展（特邀）

非制冷红外探测器由于无需制冷装置,能够工作在室温状态下,具有成本低、体积小、功耗低等特点,在红外领域得到了广泛的应用。在军事应用方面,非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制冷型探测器的应用范围,大量应用在一些低成本的武器系统,甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。在民用领域方面,更表现出了其价格和使用方便的优势,在民用车载夜视、安防监控等应用领域引起了广泛的兴趣和关注。文中介绍了Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测器的工作原理,列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况,着重介绍了目前应用最广泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。除了已实现商业化应用的Bolometer、热释电、SOI二极管等探测器等产品,还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型器件:比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用,新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展趋势作了预测。     

红外偏振成像在伪装目标识别中的应用研究

红外偏振成像技术可以提高探测伪装或隐身目标的能力。作为对抗红外隐身的侦察手段,它已成为国内外研究的重要内容。通过分析红外偏振成像的进展,提出将红外偏振成像技术应用于目标检测。为了研究伪装目标的偏振散射特征,利用红外偏振成像系统对覆盖和未覆盖军用三色迷彩伪装网的目标场景进行了探测研究。研究发现,红外偏振成像可以作为探测伪装或隐身目标的新途径,其成像效果较好。此外还证明偏振探测技术对复杂背景中低反射率伪装目标的独特识别优势在中红外波段同样成立,而且偏振角成像对伪装网的外形特征非常敏感。