“偏振光”电子科大团队制备新型圆偏振光探测器，既能覆盖红外波段又能探测全偏振信息，可广泛用于多维光场片上感知领域

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来源：DeepTech深科技

近日，电子科技大学光电科学与工程学院教授魏静轩和合作者，制备出一种可片上集成的圆偏振光探测器。

目前，这一成果已进入新原理验证阶段，基于魏静轩手头的数据，他对于实现大规模制造和环境测试十分有信心。

魏静轩是第一作者，新加坡国立大学电气与计算机工程系教授 Chengkuo Lee 和仇成伟教授担任共同通讯作者，诺奖得主&新加坡国立大学先进二维材料中心康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）教授是共同作者之一 [1]。

从拧螺丝说起

从几何和对称性出发，魏静轩做出了这种新型的圆偏振光片上探测器。对于光来说，大家可以直观感受到的是光强和颜色，颜色反映的其实是光的波长信息。

而魏静轩探索的则是光的偏振，这也是光的一个重要维度信息，但却并不为大众所熟悉。简单来说偏振反映的是：光作为一种电磁波的内部电场矢量方向。

以钓鱼者常用的钓鱼眼镜为例，其利用光的偏振原理，让人在戴上之后可以去除掉水面上的鳞光，清楚地看到水下的情况。背后原理在于鳞光作为外界光源（太阳光）在水面上的反射光，具有较为明显的偏振方向，这时就能使用方向与之垂直的偏振滤波片将其滤掉。

自然界中还有一些鸟类、昆虫和海洋动物，也可以直接看到偏振光，以用于判别太阳方位、寻找藏匿的猎物目标等。

更进一步地说，如果光的电场方向在传播过程中沿着某一条直线不变，那就是所谓的线偏振光；而如果电场方向在传播过程中是不断发生旋转的，那就是所谓的圆偏振光。

不过，这两种偏振光的探测难度却并不相同。2017 年，索尼公司发布一款型号为 IMX250MZR 的线偏振光探测器。然而，在探测圆偏振光的商用产品领域里，至今仍是一片空白。

“螺旋性”，是圆偏振光电场矢量的特点。一般来说，圆偏振光和圆偏振光探测器很像是螺丝与螺母的关系。

当我们拧螺丝时，螺丝会顺时针或逆时针转动。而为了匹配螺丝，螺母中的螺纹就要有相同的螺旋性，否则螺丝就无法嵌入。

同样的，圆偏振光探测器中往往包含有螺旋的三维结构，而这比探测线偏振光所需的二维平面周期条带结构要复杂得多。

抛开技术难度不谈，一个好的圆偏振光探测器应该具有哪些特点？除了较高的响应度和信噪比之外，魏静轩认为应该具有如下两个特征：其一，对具有不同手性的圆偏振光即左旋光和右旋光，需要有足够大的区分度；其二，受其他偏振分量比如非偏振光以及线偏振光的影响要小，最好只对圆偏振分量做出响应。

这样一来，研究目标可以被凝练成一条简洁的要求：圆偏振光探测器的信号强度，应该只与 Poincaré 球中的纬度也就是斯托克斯参量中的 S₃ 分量成正比（见图 1）。

针对该目标，魏静轩从几何角度和对称性角度出发，实现了极大圆偏振光的区分度。

圆偏振光探测器的一个基本要求，在于能够区分具有不同手性的圆偏振光，也即左旋光和右旋光。

而该工作的亮点在于，基于光学谐振结构的近场手性以及具有矢量特征的光电响应，可以实现理论上无穷大的区分度，借此突破了传统设计的极限。

缘何达成这一突破？如图 2，以具有单一镜面对称轴的平面结构为例，在对整个系统做 x 到-x 操作后，圆偏振光的手性和垂直于镜面对称轴的矢量（Jx）都会发生翻转，即左旋光和右旋光分别对应不同符号的 Jx，由此得到的区分度将达到无穷大。

与之成对比的，吸收（Abs.）因为是标量，所以不存在对圆偏振光的选择性。

简而言之，这项工作的第一个重要结论是：非螺旋性结构可被用于探测具有螺旋性的圆偏振光，相比传统螺旋结构它具有更大的圆偏振光区分度。

紧接着，魏静轩就发现一个问题，所设计的结构虽然对圆偏振光的敏感性非常高，但同时也对线偏振光十分敏感。

这就带来一个问题：如果入射光的信息是未知的，那么当测到信号时，就不能确定究竟是由线偏振光引起的，还是由圆偏振光引起的。

原因在于，不同偏振态之间存在串扰，而魏静轩要做的就是尽量降低这种串扰。

他注意到，圆偏振光和线偏振光具有不同的旋转对称性。比如，对于圆偏振光来说，无论对它旋转多少角度，它依然是圆偏振光且具有相同的螺旋性，这就好像是螺丝无论怎么旋转，依旧可以与螺母适配。

然而，这并不适用于线偏振光。当魏静轩对其进行旋转时，它的所谓偏振角会随之发生变化，这就好像是我们站着可以进到门内，但如果横躺着就要被门框卡住。

针对两者在旋转对称性上的不同，可以对器件结构进行几何化设计，让线偏振光的总贡献互相抵消直到接近于 0。同时，保证圆偏振光在器件各个位置的贡献可以互相累加，借此实现高选择性的光电响应（图 3）。

当然，除了下图中的环形结构，还可以设计成半环形以及 L 型等几何结构。

达成前面两项阶段性成果之后，让课题组已经实现了起初提出的设计目标：圆偏振光探测器的信号强度应只与 Poincaré 球中的纬度，也即斯托克斯参量中的 S₃ 分量成正比。

后来，魏静轩发现如果将石墨烯加工成条带，那么器件的响应度在实验上将会有大约 5 倍的提升。

最终在 4 微米波长光源照射下，他测到的室温响应度最高达到 98V/W，对应于单个光学谐振结构的实际响应度为 392V/W，椭圆度探测率最低达到 0.03°Hz−1/2。

事实上，此次所研发的器件，其工作模式类似于光伏电池，光照可以产生开路电压和短路电流。也就是无需外部供能，光照本身就能让器件工作。

在全球范围内，传感器数量仍在迅速增长，如何给这些传感器供能逐渐成为一大难题。而本次魏静轩设计的器件，不仅耗能极低甚至可以自供能。

传统的圆偏振光探测器设计，都是基于具有手性的结构或材料。但是本次工作却使用不具有手性的纳米光学结构，乍一看甚至会让人觉得是反常识的。

然而正是这种创新性方法——即将不具有螺旋性的结构用于圆偏振光探测，反而其性能远超基于螺旋性结构的传统设计。由于此次工作基于亚波长结构的近场光，因此可以突破波长的衍射极限，从而为高分辨偏振探测器的发展提供更多可能性。

更有趣的是，背后机理也并非来自于测试系统的手性，而是源于器件中矢量性的光电流输出。相比于传统设计中基于标量光电流的输出，该工作的圆偏振光区分度要大得多。

此外，此次器件被设计在中红外波段，因此不需要额外的液氮制冷，在室温条件下就能工作，对于中红外探测器来说这是一个很大的突破。

同时，该器件也能在无需偏压的条件下工作，故有望带来极低能耗甚至零能耗。

首次和诺奖得主合作

本次研究的渊源，最早可追溯到魏静轩读博的第二年。当时，他在研究金属光学谐振结构和石墨烯组成的器件体系时，发现了一种具有矢量特征的光电响应，即器件中的光电流可以在二维平面内的任一方向流动。

理论分析表明，这种响应竟然与金属光学谐振结构的近场分布有关。形象一点来说，就是金属光学谐振结构将它周围的光搬运了大概几百纳米的距离。

进行大量文献调研之后，他将之称为“人工体光伏效应”，相关论文发在 Nature Communications 上 [2]。随后，他和所在团队将其用于线偏振光的探测中，相关论文发表在 Nature Photonics 上 [3]。

当时，魏静轩还没想好如何将器件用于圆偏振光探测。他说：“2019 年，恰逢陈杨师兄从美国来到新加坡，他当时刚发表过一些圆偏振光在亚波长结构中的近场效应的相关论文。具体来说，他设计了一些非螺旋性的平面结构，可以将圆偏振光在纳米尺度下分离，并且左旋光和右旋光被分离的方向是相反的。”

但是这种分离过于微弱，而且无法反映在反射谱和透射谱上。在和魏静轩交流之后，他们很快意识到矢量光电流或许是让这一发现变得有用的关键因素。

随后，他们设计的一些器件也验证了上述想法，并获得了远超传统圆偏振光探测器的卓越性能，甚至打破了此前的区分度极限。

接着，他们广泛调研了光学、物理、以及材料领域所有与圆偏振探测有关的工作，结果发现好几个研究方向几乎都是独立地发展，其实可以通过简单的对称分析将它们统一起来。

简单来说，标量是宇称变换的不变量，而矢量则可以是变量，这就是为什么非螺旋结构中的矢量性光电流，可被用于圆偏振光探测的原因。

魏静轩说：“研究伊始，我们对于圆偏振光探测器领域是完全陌生的，全仗着一股初生牛犊不怕虎的劲头，才没有受到传统思维的束缚。直到现在，我依然觉得我们的设计不算是‘新’知识，而是某种被‘遗忘’或被‘忽略’的知识。”

同时，这也是他第一次与诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）合作。Konstantin Novoselov 因发现石墨烯于 2010 年获得诺贝尔物理学奖，2019 年加入新加坡国立大学。

由于该研究使用石墨烯作为载体，所以魏静轩也特意向 Novoselov 请教相关的机理问题。“他对我们的设计非常喜欢，同时也提了很多建设性的意见，对于论文细节的打磨也是严格把关。而且他经常能将不同领域的学术研究联系起来并一眼看到背后本质。”魏静轩说。

另外，之前做研究时魏静轩主要关注问题的逻辑本身，但他发现对外讲解成果时，总是很难给人留下印象深刻的记忆点。

为此在本次工作中，他做了多种不同形状、不同功能的器件，当大家看到环形结构（图 3）时，都会赞叹不已直呼“颜值高”。

“直到这时我才发现，原来在最讲究理性的科学研究里，大家也有‘感性’的的一面。可见，好看的器件本身就会‘说话’。虽然这并不是我们最好的设计，但是最后还是决定将这个器件作为论文的第一张图来解释工作原理。”魏静轩表示。

如前所述，此次论文属于一系列工作中的第三篇。简单来说，第一篇建立了相关理论基础并做了实验验证 [2]，第二篇则主要针对线偏振光探测器进行设计 [3]，最近这篇则主要针对圆偏振光进行设计。

事实上，在设计思路上还有广阔的发展空间。未来，魏静轩将在入射角度、波长、光涡旋探测等方面继续探索，力图实现产业化。

目前，魏静轩也已回国并加入电子科技大学光电科学与工程学院，以刘永教授为负责人的光电子器件与应用技术团队。尽管已经离开新加坡，但他将在国内继续推进这一系列的研究。

他说：“我们这个器件在设计之初，就考虑到了大规模制备的可行性。目前晶圆级的石墨烯生长技术已经很成熟，因此这种设计应该可以方便地进行大规模制备测试。不过也存在一些问题，比如我们需要根据器件的零偏压、低噪声等特点设计一些专门的集成读出电路。”

事实上，最早从南京大学本科毕业时，魏静轩并未想过做科研，所以当时放弃了直博，转而去德国耶拿大学读硕士。

他说：“耶拿大学所在的耶拿市，是世界闻名的光学之城，诞生了蔡司、肖特、Jenoptik 等诸多光学巨头公司，产学研氛围浓厚。在德国的三年里，我逐渐发现做科研是一件非常有乐趣的事。”

在德国期间，他认识到光学作为一个非常古老的学科，创新依旧层出不穷，有望在 21 世纪实现“光子学时代”。自那时起，魏静轩正式决定从事科研工作。后来，在新加坡国立大学读博并完成博后研究。

而如今，已经入职电子科技大学的他，还有更多科研蓝图等待描绘。他继续说道：“读书时身边就有很多电子科大毕业的同学，后来也专门回国来电子科大参观。此外，成都这座城市也给我和家人留下了非常好的印象——开放、包容、热情、温暖，这里确实是‘一座来了就不想走的城市’。”

参考资料：

1.Wei, J., Chen, Y., Li, Y.et al. Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light. Nat. Photon. 17, 171–178 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01115-7

2.Zero-bias mid-infrared graphene photodetectors with bulk photoresponse and calibration-free polarization detection. Nat Commun 11, 6404 (2020)

3.Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photon. 15, 614–621 (2021)

好了，关于电子科大团队制备新型圆偏振光探测器，既能覆盖红外波段又能探测全偏振信息，可广泛用于多维光场片上感知领域就讲到这。