微纳米复合材料实验室在单片式集成微型微超透镜阵列的红外探测研究中取得重要进展

红外探测技术在军事，工业和民用等诸多领域都有着广泛的应用。其中，基于双材料微悬臂热变形的光机械非制冷红外探测器，通过在可见光谱范围内实现红外测量，展现了巨大的应用潜力。然而，与大多数类型的探测器一样，它也面临着填充因子低的限制，即热敏区域占比小导致光能利用效率低下。近年来，微超透镜凭借其紧凑的尺寸、高设计灵活性和与微机电系统（MEMS）较好的兼容性，有望与红外探测器集成，以提升其性能。通过在红外传感器上集成微超透镜阵列，可以大幅提升入射红外光的利用效率，从而增强红外传感器的响应。

图 1. 集成微超透镜显著提高像素利用区域

近期，中国科学技术大学微纳米复合材料实验室赵旸教授团队研究设计了一种长波红外（LWIR）微超透镜阵列与光机械红外探测器的单片式集成方案，如图2所示，并对其进行了制造和表征。该团队开发了一种微纳米加工工艺，将微超透镜阵列直接制作在探测器衬底的背面。通过微超透镜阵列对红外信号的聚集作用，红外探测器的等效填充因子得到了显著提高，从而获得了更灵敏的红外响应。实验测试结果表明，集成微超透镜阵列显著提升了光机械红外探测器在8–14 μm波段的响应率，实现了81.8%的性能提升。相关研究成果以“Optomechanical Infrared Detector Monolithically Integrated with Micro-Metalens Array”为题，发表在光学科学Top期刊《ACS Photonics》。

微超透镜是一种基于亚波长结构设计的平面透镜。与传统的曲面透镜不同，微超透镜通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度或偏振，从而实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得微超透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。同时，它们与微机电系统（MEMS）高度兼容，广泛应用于高分辨成像、光学传感器和虚拟现实设备等领域。该工作中，微悬臂像素锚定在硅衬底上，而由硅制成的介电微超透镜直接制作在衬底背面。利用不同尺寸亚波长单元结构对光的相位调控，模拟出曲面透镜的相位轮廓，即可实现对光的聚焦调控。仿真计算结果表明，当吸收板尺寸为26 μm×26 μm时（像素尺寸为60 μm），超过80%的入射辐射可以被吸收板所接收，极大地提升了光能利用效率。

该工作利用如图5所示的红外光与可见光结合的实验光路测试了集成微超透镜对于红外探测器响应率的影响。红外热源的辐射通过红外透镜聚焦到探测器上，使微悬臂梁温度升高并发生弯曲。同时，可见光束从另一侧照射探测器，并被微悬臂梁的反光板反射，在透镜后焦平面上形成衍射光谱。刀口滤光片遮挡了部分衍射光谱，未被遮挡的部分则继续移动。因此，反光板的变形导致衍射图样位移，从而引起CCD上的光强变化，使红外目标的图像能够通过CCD轻松重建。 

实验使用了不同的中性密度滤光片来实现0%、50%和100%的红外辐射透过率。通过线性拟合可见光CCD在三种透过率下的灰度变化，即可获得探测器的响应度。测试结果表明，集成微超透镜像元的平均响应度为0.20 Gray level/ Transmittance，而没有集成微超透镜的像元的平均响应度为0.11 Gray level/ Transmittance。因此，微超构透镜的集成使光机械红外探测器的响应率提高了81.8%。