一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片及上转换薄膜的制备方法与流程

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种硅基红外偏振光谱芯片，特别是一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片及其运用方法及上转换薄膜的制备方法。

背景技术：

对目标更多属性的获取，是光学类传感器不断追求的目标。红外探测技术在许多领域有着重要的应用，包括工业、农业、地球环境、生物医学、大气、天文领域等。目前红外探测主要采用铟镓砷(发明专利：一种铟镓砷短波红外探测器，公开号：cn105914250a)或锗基(发明专利：一种集成式红外带通滤波器和光谱仪，公开号：cn207457534u)探测器，铟镓砷或锗基材料对红外波段具有较好的光电响应特性，但是他们都存在着噪声大、信噪比较低，曝光时间短等不足，以及制备工艺复杂、成本较高，探测系统很难小型化等缺点。

随着上转换材料和超材料偏振技术的发展与成熟，使得研制一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片来探测红外谱段偏振图像信息成为可能。与传统红外探测光学器件相比,硅基红外偏振光谱芯片增加上转换薄膜和像元化偏振超材料结构，上转换薄膜为一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，可实现将红外光谱转换成可见光谱，这样相对于铟镓砷或锗基探测器，采用技术更成熟的硅基探测器就可以探测到；传统偏振调制为介质材料偏振控制器件，其体积大，难以将其制备到探测器的像元上，实现像元化。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题以及上述缺陷，本发明提供了一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片。包括：光学聚焦微透镜阵列、像元化偏振超材料阵列、上转换薄膜，光电转换基底；所述光学聚焦微透镜阵列，用于汇聚待测物体的红外信号，与下层的所述像元化偏振超材料阵列的偏振单元和所述底层的光电转换基底像元一一对应，经所述光学聚焦微透镜阵列汇聚的红外光穿透所述像元化偏振超材料阵列像元区，在透射过程中被偏振超材料调制转变为偏振光；所述上转换薄膜为一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，用于将红外光谱转换成可见光谱，其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。所述光电转换基底为硅基探测器，硅基探测器采用硅基图像传感器cmos或者ccd，用于探测经所述上转换薄膜和偏振调制的到达其靶面的偏振光信号。

进一步，所述像元化偏振超材料阵列作用为调制入射光的空间偏振分布；包含具有不同方位角的多个像元化金属周期性阵列,通过改变多个像元化金属周期性阵列的空间排布方式来调制入射光的空间偏振分布。

本发明还提供一种上转换薄膜的制备方法，其步骤如下：

第一步，材料准备；所述材料包括光学胶、上转换材料与光电转换基底。

第二步，超声分散；将所述光学胶放入烧杯中，并将所述上转换材料均匀洒在所述光学胶表面，避免扎堆成簇；将超声探头放入烧杯中且可接触烧杯杯壁；固定所述超声探头并设定频率、时间；打开超声开关进行超声分散。

第三步，磁力搅拌；将超声分散好的混合溶液放置到磁力搅拌器上固定密封；加入磁子，定转速、时间；打开磁力搅拌器开关；搅拌一定时间，取样后利用显微镜查看融合情况，保证所述上转换材料均匀分布于光学胶内部，并形成融合材料。

第四步，旋涂匀胶；清洁光电转换基底表面的灰尘和油渍，再用去离子水清洗后用氮气枪吹干；将光电转换基底固定匀胶台，设定转速、时间，利用旋涂式匀胶方法，用滴管滴数滴所述融合材料到光电转换基底表面，利用匀胶台转动时产生的离心力及光学胶的粘附力形成厚度均匀的涂层。

第五步，加热烘焙；将匀胶后的光电转换基底放置在热板上，通过烘焙将混合材料固定至光电转换基底表面形成上转换薄膜。

第六步：观察析出；将做好的所述上转换薄膜基底放置显微镜下查看析出度，要求表面光滑无析出。

第七步：薄膜密封；将所述的无析出上转换薄膜基底放置在旋涂台上，用滴管滴数滴光学胶到上转换薄膜基底表面，利用匀胶台转动时产生的离心力及光学胶的粘附力形成厚度均匀的光学胶涂层。匀胶结束后再次加热烘焙，通过烘焙将光学胶固定至上转换薄膜基底表面形成光学胶保护层；制作结束。

进一步，所述第一步中，所述的光学胶与所述上转换材料没有化学反应，同时其折射率相近且没有明显吸收峰。

由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明由光学聚焦微透镜阵列、像元化偏振超材料阵列，上转换薄膜、光电转换基底组成，其调制效率相比前者有很大的提升,并且制备工艺较简单、成本低，具有整体生产工艺简单成熟的优点。

2、本发明采用上转换薄膜和像元化偏振超材料阵列组合的方式，大幅减轻探测系统的重量和体积，光机系统结构复杂度远低于基于现有技术方案的红外偏振成像装置，有利于系统的微型化。

3、本发明采用像元化偏振超材阵列，不存在运动部件，相对于传统方式的需旋转偏振轮或者波片而言，稳定性非常好。

4、本发明不仅延续了硅基探测器技术成熟，成本低，并且在曝光时间、工作温度等同等条件下，其信噪比远高于铟镓砷和锗基探测器的优势，而且，通过利用光谱上转换材料，将红外波段(800nm-1600nm)的光信号转化至可见光波段(380nm-780nm)，从而使硅基探测器可以响应。

附图说明

图1是本发明的一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片示意图。

图2是本发明的上转换材料红外响应光谱图，即上转换材料可转换短波红外波段。

图3是本发明的部分波长红外转可见光谱图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明的一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片及上转换薄膜的制备方法。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片，包括：光学聚焦微透镜阵列1、像元化偏振超材料阵列2，上转换材料薄膜3、光电转换基底4；

其中，所述光学聚焦微透镜阵列，用于汇聚待测物体的红外信号，与下层的像元化偏振超材料阵列偏振单元和底层的光电转换基底像元一一对应，目标发射红外光信号经微透镜阵列汇聚照射到像元化偏振超材料阵列像元区，提高红外入射光能量的利用率；

其中，所述像元化偏振超材料阵列2作用为调制入射光的空间偏振分布。包含具有不同方位角的多个像元化金属周期性阵列,通过改变多个像元化金属周期性阵列的空间排布方式来调制入射光的空间偏振分布；实施例采用像元化偏振超材料阵列的材料为金，像元化金属周期性阵列包括多个偏振单元，每个偏振单元包括4种不同偏振态，每个偏振态的尺寸对应探测器像元尺寸，4种偏振态可以灵活选择，本实施例中选取0°、45°、90°、135°；

其中，所述上转换薄膜3为一种红外光激发下能发出可见光的上转换材料，用于将红外光谱转换成可见光谱。其特点是在经过紫外光线注入初始能量后，可以吸收红外光子并发射出可见光谱段的光子；实施例采用稀土参杂的cas∶eu,sm上转换材料，量子效率为4％，红外响应光谱如图2所示，部分波长转换光谱如图3所示；

其中，所述光电转换基底4为硅基探测器，硅基探测器采用硅基图像传感器cmos或者ccd，用于探测经上面膜层调制的偏振光信号；实施例硅基探测器选用qhy5-ii相机1/2英寸灰度cmos传感器；

基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片的工作过程包括以下步骤：

步骤一：待测物体的红外光通过光学聚焦微透镜阵列1将入射光的光束聚焦，并将入射光分成与其对应光电探测器像元相同等份，然后再将各份光束聚焦到下面对应的像元化偏振超材料阵列2偏振单元，提高入射光能量的利用率。

步骤二：入射到像元化偏振超材料阵列2的红外光信号，经过多个不同空间排布的像元化金属周期性阵列进行偏振调制，调制后空间偏振态改变的红外光入射到上转换薄膜3表面。

步骤三：入射到上转换薄膜3表面后的红外光信号，由于上转换材料特性，即实施例中红外上转换发光光谱的响应范围为800nm-1600nm(红外响应光谱如图2所示)，将入射红外光谱转换为可见光谱(部分波长转换光谱如图3所示)，转换过后的可见光信号入射到下面对应的光电转换基底4。

步骤四：经上转换薄膜3调制的光信号进入下面的光电转换基底4，光电转换基底采用硅基探测器，可将不同强度入射可见光信号转换为电信号，并经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出，获得目标的偏振光信号。

一种基于上转换薄膜和像元化偏振超材料的硅基红外偏振光谱芯片，其上转换薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：材料准备，光学胶、上转换材料与硅基探测器，要求光学胶与上转换材料没有化学反应、折射率相近且没有明显吸收峰。

步骤二：超声分散，将光学胶放入烧杯中，并将上转换材料均匀洒在将光学胶表面，要求避免扎堆成簇；将超声探头放入烧杯中(不可接触杯璧)，固定探头，设定频率、时间，打开超声开关进行超声分散；

步骤三：磁力搅拌，将超声分散好的混合溶液放置到磁力搅拌器上固定密封；加入磁子，要求轻放，切勿引起液体飞溅；设定转速、时间，打开磁力搅拌器开关，切勿加热；搅拌一定时间，取样利用显微镜查看融合情况，要求上转换材料均匀分布光学胶内部；

步骤四：旋涂匀胶，清洁硅基探测器表面的灰尘和油渍，再用去离子水清洗后用氮气枪吹干；将光电转换基底固定匀胶台，设定转速、时间，利用旋涂式匀胶方法，用滴管滴数滴融合材料到光电转换基底表面，利用匀胶台转动时产生的离心力及光学胶的粘附力形成厚度均匀的涂层；

步骤五：加热烘焙，将匀胶后的光电转换基底放置在热板上，通过烘焙将混合材料固定至光电转换基底表面形成上转薄膜；

步骤六：观察析出，将做好的上转换薄膜基底放置显微镜下查看析出度，要求表面光滑无析出；

步骤七：薄膜密封；将所述的无析出上转换薄膜基底放置在旋涂台上，用滴管滴数滴光学胶到上转换薄膜基底表面，利用匀胶台转动时产生的离心力及光学胶的粘附力形成厚度均匀的光学胶涂层。匀胶结束后再次加热烘焙，通过烘焙将光学胶固定至上转换薄膜基底表面形成光学胶保护层；制作结束。

以上依据附图所示的具体实施方式详细说明了本发明的技术方案及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，但本发明不以附图所示限定其保护范围，凡是依照本发明的构想所作的调制或修改为等同变化的等效实施方式，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。