一种基于相变材料的中红外宽谱探测装置及系统

1.本技术涉及光学器件技术领域，具体而言，涉及一种基于相变材料的中红外宽谱探测装置及系统。


背景技术：

2.目前，中红外光探测技术多采用直接探测方式，利用窄带隙半导体体材料或二维层状材料在中红外波段的光致电学(光—》热—》电)特性变化，通过测量中红外光照射到探测器件后产生的光电流/光电压(光伏效应)、由光子吸收引起的热电压(热电效应)/材料阻抗(辐射热效应)、或注入/耗损电荷载流子浓度变化(光门控效应)等，实现对中红外光功率的探测。
3.现有技术中，在中红外直接探测领域，hgcdte基、半导体量子阱/点探测器通常需要低工作温度。石墨烯探测器需与具有高吸收损耗的中红外材料或结构进行混合集成，或进行能带调控，以提高器件对中红外光响应程度。黑磷探测器最大探测波长一般不超过3.7μm。在更长波段，需利用黑磷非对称晶体材料对光偏振态的选择性响应和stark效应来实现探测。te基、还原氧化石墨烯场效应管探测器对制备工艺要求较高。基于拓扑weyl半金属材料如mote2等探测器件，在探测性能和制备方面的巨大潜力尚待挖掘。因此，中红外探测技术在提高灵敏度，扩展探测谱宽，室温工作等方面仍存在不少亟待解决的难题。在间接中红外光探测领域，利用如linbo3等非线性光学体晶体材料通过三波混频实现近/中红外光的频率上转换需要满足严苛相位匹配条件。同时，为实现高的转换效率，要求linbo3体材料尺寸需达到厘米量级，不利于中红外光探测器件的片上集成应用。另一方面，就利用分子振动频率上转换的中红外光探测技术而言，考虑到对于特定分子，支持激发其集体共振的中红外波段通常很窄，且分子共振频率由其自身性质决定，不易调制。因此，这种中红外间接探测工作波段通常较窄且不易通过动态调制实现宽谱探测。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种基于相变材料的中红外宽谱探测装置及系统，可以实现对中红外光功率进行间接探测并实现宽谱探测，提高中红外光探测灵敏度的技术效果。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种基于相变材料的中红外宽谱探测装置，包括从下至上依次层叠的衬底层、薄膜缓冲层、第一颗粒阵列层、振动激发层、相变材料薄膜、第二颗粒阵列层；
6.所述衬底层和所述薄膜缓冲层为探测基底，中红外光信号由所述探测基底入射至所述第一颗粒阵列层，泵浦可见光信号由所述第二颗粒阵列层入射至所述振动激发层；
7.所述中红外光信号通过所述第一颗粒阵列层，且所述中红外光信号通过光栅耦合在所述振动激发层满足动量匹配并激发表面声子极化激元，所述表面声子极化激元在所述振动激发层引发晶格集体机械振动；所述相变材料薄膜用于调控所述表面声子极化激元的
激发频率，所述泵浦可见光信号受所述晶格集体机械振动的调制，通过释放或吸收与所述晶格集体机械振动的频率一致的声子，分别产生相应的斯托克斯光或反斯托克斯光，以完成所述中红外光信号的频率上转换。
8.在上述实现过程中，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置中，入射的中红外光信号通过第一颗粒阵列层，以光栅耦合的方式，满足光与振动激发层中表面声子极化激元之间的动量匹配，从而在振动激发层激发振动表面声子极化激元，表面声子极化激元的激发可以在振动激发层中引发强烈的晶格集体机械振动；此时，从第二颗粒阵列层入射的泵浦可见光信号基于光-机械耦合作用，受到该晶格集体机械振动的调制，通过释放或吸收与其振动频率一致的声子，产生斯托克斯光或反斯托克斯光，从而完成中红外光向可见光波段斯托克斯与反斯托克斯光的频率上转换过程，实现对中红外光信号进行间接探测并实现宽谱探测；从而，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置可以实现对中红外光功率进行间接探测并实现宽谱探测，提高中红外光探测灵敏度的技术效果。
9.进一步地，所述振动激发层为六角氮化硼层状薄膜，所述第一颗粒阵列层作为耦合光栅通过高阶衍射给所述中红外光信号提供动量，所述六角氮化硼层状薄膜作为所述表面声子极化激元的激发介质。
10.在上述实现过程中，六角氮化硼(h-bn)层状薄膜是中红外光的表面声子极化激元的激发介质，入射的中红外光信号通过光栅耦合方式获得额外的动量；在六角氮化硼层状薄膜与相变材料薄膜的界面处，当中红外光信号与六角氮化硼中的表面声子极化激元满足动量匹配条件时，中红外光信号可以在该界面处激发出表面声子极化激元。
11.进一步地，所述相变材料薄膜为锗锑碲相变材料薄膜，在所述中红外光信号满足预设动量匹配条件时，所述中红外光信号在所述锗锑碲相变材料薄膜与所述六角氮化硼层状薄膜的界面处激发出所述表面声子极化激元。
12.在上述实现过程中，锗锑碲相变材料薄膜的作用是调控六角氮化硼中表面声子极化激元的激发频率，即通过调控锗锑碲相变材料薄膜的晶化或去晶程度(相变程度)，进而改变其介电常数，从而改变表面声子极化激元的传播常数。
13.进一步地，所述第一颗粒阵列层为金微米颗粒阵列层，所述第二颗粒阵列层为金纳米颗粒阵列层，所述金微米颗粒阵列层和所述金纳米颗粒阵列层之间形成等离激元谐振腔，所述等离激元谐振腔用于所述中红外光信号和所述泵浦可见光信号双波段共振，将所述中红外光信号和所述泵浦可见光信号限制在所述相变材料薄膜中。
14.在上述实现过程中，金微米颗粒阵列层和金纳米颗粒阵列层的作用为构成可见光-中红外光双波段共振的等离激元谐振腔，利用其超衍射极限的光场压缩能力，可以将入射的中红外光信号和泵浦可见光信号同时限制在相变材料薄膜中，显著提高局域电场的强度，增加中红外光与可见光的模式重叠度。
15.进一步地，所述装置还包括薄膜保护层和薄膜包覆层，所述薄膜保护层设置在所述相变材料薄膜和第二颗粒阵列层之间，所述薄膜包覆层设置在所述第二颗粒阵列层的上方。
16.在上述实现过程中，薄膜保护层可以防止相变材料薄膜在相变过程中的元素扩散，避免对整个中红外宽谱探测装置造成破坏；其次，薄膜保护层可以防止中红外宽谱探测装置在加工过程中的氧化。薄膜包覆层可以对频率上转换功能部件提供机械保护，并阻隔
频率上转换功能部件与外部环境的接触。
17.进一步地，所述薄膜保护层为氧化铝纳米薄膜，所述氧化铝纳米薄膜用于防止所述相变材料薄膜在在相变过程中的元素扩散。
18.进一步地，所述薄膜包覆层为氧化硅薄膜包覆层，所述氧化硅薄膜包覆层用于防止所述振动激发层、所述相变材料薄膜发生形变。
19.第二方面，本技术实施例提供了一种基于相变材料的中红外宽谱探测系统，包括中红外激光器、近红外激光器、第一准直组件、分束晶体组件、滤波片、拉曼光谱仪、功率探测器以及如第一方面任一项所述的基于相变材料的中红外宽谱探测装置；
20.所述分束晶体组件包括第一分束晶体和第二分束晶体，所述中红外激光器用于发射中红外光信号，所述中红外激光器、所述中红外宽谱探测装置、所述第一分束晶体、所述滤波片、所述第二分束晶体、所述拉曼光谱仪沿第一方向依次设置，所述近红外激光器、所述第一准直组件、所述第一分束晶体沿第二方向依次设置，所述功率探测器设置在所述第二分束晶体的一端，所述第一方向和所述第二方向垂直。
21.进一步地，所述系统还包括连续激光器和第二准直组件，所述分束晶体组件还包括第三分束晶体，所述第三分束晶体设置在所述中红外宽谱探测装置、所述第一分束晶体之间，所述连续激光器、第二准直组件、所述第三分束晶体沿第三方向依次设置，所述第二方向和所述第三方向平行。
22.进一步地，所述系统还包括信号发生器，所述信号发生器与所述连续激光器连接。
23.本技术公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本技术公开的上述技术即可得知。
24.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的结构示意图；
27.图2为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的俯视结构图；
28.图3为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的仰视结构图；
29.图4为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测系统的结构示意图。
30.图标：中红外宽谱探测装置10；衬底层110；薄膜缓冲层120；第一颗粒阵列层130；振动激发层140；相变材料薄膜150；第二颗粒阵列层160；薄膜保护层170；薄膜包覆层180；中红外宽谱探测系统20；中红外激光器210；近红外激光器220；第一准直组件231；第二准直组件232；分束晶体组件240；第一分束晶体241；第二分束晶体242；第三分束晶体243；滤波片250；拉曼光谱仪260；功率探测器270；连续激光器280；信号发生器290。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
33.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
34.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
36.本技术实施例提供了一种基于相变材料的中红外宽谱探测装置及系统，可以应用于中红外光的宽谱探测中；该基于相变材料的中红外宽谱探测装置中，入射的中红外光信号通过第一颗粒阵列层，以光栅耦合的方式，满足光与振动激发层中表面声子极化激元(sphps)之间的动量匹配，从而在振动激发层激发振动表面声子极化激元，表面声子极化激元的激发可以在振动激发层中引发强烈的晶格集体机械振动；此时，从第二颗粒阵列层入射的泵浦可见光信号基于光-机械耦合作用，受到该晶格集体机械振动的调制，通过释放或吸收与其振动频率一致的声子，产生斯托克斯光或反斯托克斯光，从而完成中红外光向可见光波段(反)斯托克斯光的频率上转换过程，实现对中红外光信号进行间接探测并实现宽谱探测；从而，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置可以实现对中红外光功率进行间接探测并实现宽谱探测，提高中红外光探测灵敏度的技术效果。
37.请参见图1至图3，图1为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的结构示意图，图2为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的俯视结构图，图3为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置的仰视结构图，其中表示朝向面内，
⊙
表示朝向面外；该基于相变材料的中红外宽谱探测装置10包括从下至上依次层叠的衬底层110、薄膜缓冲层120、第一颗粒阵列层130、振动激发层140、相变材料薄膜150、第二颗粒阵列层160。
38.示例性地，衬底层110和薄膜缓冲层120为探测基底，中红外光信号由探测基底入射至第一颗粒阵列层130，泵浦可见光信号由第二颗粒阵列层160入射至振动激发层140。
39.在一些实施方式中，振动激发层140设置在相变材料薄膜150的内部或相变材料薄膜150的表面。
40.示例性地，中红外光信号通过第一颗粒阵列层130，且中红外光信号通过光栅耦合在振动激发层140满足动量匹配并激发表面声子极化激元，表面声子极化激元在振动激发层140引发晶格集体机械振动；相变材料薄膜150用于调控表面声子极化激元的激发频率，泵浦可见光信号受晶格集体机械振动的调制，通过释放或吸收与晶格集体机械振动的频率一致的声子，产生斯托克斯光或反斯托克斯光，以完成中红外光信号的频率上转换。
41.示例性地，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置中，入射的中红外光信号通过第一颗粒阵列层130，以光栅耦合的方式，满足光与振动激发层中表面声子极化激元之间的动量匹配，从而在振动激发层140激发振动表面声子极化激元，表面声子极化激元的激发可以在振动激发层140中引发强烈的晶格集体机械振动；此时，从第二颗粒阵列层160入射的泵浦可见光信号基于光-机械耦合作用，受到该晶格集体机械振动的调制，通过释放或吸收与其振动频率一致的声子，产生斯托克斯光或反斯托克斯光，从而完成中红外光向可见光波段(反)斯托克斯光的频率上转换过程，实现对中红外光信号进行间接探测并实现宽谱探测；从而，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置可以实现对中红外光功率进行间接探测并实现宽谱探测，提高中红外光探测灵敏度的技术效果。
42.示例性地，振动激发层140为六角氮化硼层状薄膜，六角氮化硼(h-bn)层状薄膜是中红外光的表面声子极化激元的激发介质，入射的中红外光信号经第一颗粒阵列层130耦合光栅高阶衍射后获得额外的动量；在六角氮化硼层状薄膜与相变材料薄膜的界面处，当中红外光信号与六角氮化硼中的表面声子极化激元满足动量匹配条件时，中红外光信号可以在该界面处激发出表面声子极化激元。
43.在一些实施方式中，入射的中红外光信号通过光栅耦合方式获得额外的动量g＝2π/p，其中，p是光栅周期。
44.在一些实施方式中，六角氮化硼层状薄膜为分子级厚度的层状薄膜。
45.示例性地，相变材料薄膜150为锗锑碲(ge2sb2te5)相变材料薄膜，在中红外光信号满足预设动量匹配条件时，中红外光信号在锗锑碲相变材料薄膜与六角氮化硼层状薄膜的界面处激发出表面声子极化激元。
46.示例性地，锗锑碲相变材料薄膜的作用是调控六角氮化硼中表面声子极化激元的激发频率，即通过调控锗锑碲相变材料薄膜的晶化或去晶程度(相变程度)，进而改变其介电常数，从而改变表面声子极化激元的传播常数。
47.示例性地，表面声子极化激元是一种表面波；在本技术实施例中，表面声子极化激元的色散关系由ge2sb2te5和h-bn的介电常数两方面共同决定。通过调控ge2sb2te5的晶化或去晶程度(相变程度)进而改变其介电常数，这将导致sphps的传播常数发生变化。当耦合光栅为入射中红外光提供额外动量恒定时，根据动量匹配原则，可以实现不同频率的中红外光信号激发sphps的效果，产生具有不同振动频率的h-bn集体晶格振动模式。如此，可确保在较宽的中红外波段，均可通过基于h-bn中sphps为媒介实现频率上转换。
48.示例性地，锗锑碲相变材料薄膜为纳米薄膜。
49.示例性地，第一颗粒阵列层130为金微米颗粒阵列层，第二颗粒阵列层160为金纳米颗粒阵列层，金微米颗粒阵列层和金纳米颗粒阵列层之间形成等离激元谐振腔，等离激
元谐振腔用于中红外光信号和泵浦可见光信号双波段共振，将中红外光信号和泵浦可见光信号限制在相变材料薄膜150中。
50.示例性地，金(au)微米颗粒阵列层和金(au)纳米颗粒阵列层的作用为构成可见光-中红外光双波段共振的等离激元谐振腔，利用其超衍射极限的光场压缩能力，可以将入射的中红外光信号和泵浦可见光信号同时限制在相变材料薄膜150中，显著提高局域电场的强度，增加中红外光与可见光的模式重叠度；从而，以此保证低功率、连续中红外光和可见光即可满足频率上转换这一非线性现象的功率与转换效率要求。
51.在一些实施方式中，在中红外波段，金微米颗粒阵列层可以起到光栅的作用，用来补偿中红外光信号与表面声子极化激元之间的动量失配；而在可见光波段，金纳米颗粒阵列层中的每个金纳米颗粒作为相对孤立的纳米散射体，将泵浦可见光信号散射后，产生具有无限个有限振幅波矢分量的点偶极子辐射场；从而，以此满足本技术中基于中红外光、泵浦可见光和转换(反)斯托克斯光之间频率上转换的三波动量匹配条件。
52.示例性地，该基于相变材料的中红外宽谱探测装置10还包括薄膜保护层170和薄膜包覆层180，薄膜保护层170设置在相变材料薄膜150和第二颗粒阵列层160之间，薄膜包覆层180设置在第二颗粒阵列层160的上方。
53.示例性地，薄膜保护层170可以防止相变材料薄膜150在相变过程中的元素扩散，避免对整个中红外宽谱探测装置10造成破坏；其次，薄膜保护层170可以防止中红外宽谱探测装置10在加工过程中的氧化。薄膜包覆层180可以对频率上转换功能部件提供机械保护，并阻隔频率上转换功能部件与外部环境的接触。
54.示例性地，薄膜保护层170为氧化铝(al2o3)纳米薄膜，氧化铝纳米薄膜用于防止相变材料薄膜在在相变过程中的元素扩散。
55.在一些实施方式中，相变材料薄膜为锗锑碲相变材料薄膜；此时，氧化铝纳米薄膜的首要作用是防止锗锑碲相变材料薄膜在在相变过程中，由碲(te)元素向金纳米结构中扩散造成的器件性能损失甚至破坏；其次，氧化铝纳米薄膜作为致密薄膜，可以有效防止器件在加工过程中的氧化。
56.示例性地，薄膜包覆层180为氧化硅(sio2)薄膜包覆层，氧化硅薄膜包覆层用于防止振动激发层140、相变材料薄膜150发生形变。
57.示例性地，氧化硅薄膜包覆层的主要作用是对频率上转换功能部件(如振动激发层140、相变材料薄膜150)提供机械保护，防止相变材料薄膜150在晶化过程中由其自身密度变化导致频率上转换功能部件几何结构发生如龟裂、起皱等显著形变，对频率上转换效果带来不良影响；其次，氧化硅薄膜包覆层阻隔了频率上转换功能部件与外部环境的接触，因此，可以用来防止外部机械损伤和化学侵蚀。
58.在一些实施方式中，衬底层110采用石英衬底，薄膜缓冲层120采用氧化硅(sio2)薄膜缓冲层，两者组成器件制备的基底；在此基底上，开展中红外频率上转换功能部件的制备。其中，第一颗粒阵列层130、振动激发层140、相变材料薄膜150、第二颗粒阵列层160和薄膜保护层170组成实现中红外频率上转换激发与调控功能的部件。
59.在一些实施方式中，本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测装置10，其加工工艺流程示例如下：
60.1)对衬底层110(如石英衬底)进行超声波清洗；
61.2)利用化学气相沉积(cvd，chemical vapor deposition)在衬底层110表面生长薄膜缓冲层120(如sio2缓冲层)，并进行快速热退火；
62.3)在薄膜缓冲层120表面均匀旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma，polymethyl methacrylate)光刻胶；
63.4)利用电子阻挡层(ebl，electron-blocking layer)进行曝光、显影；
64.5)利用电感耦合等离子体(icp，inductively coupled plasma)刻蚀第一颗粒阵列层130(如金微米颗粒阵列层)图案；
65.6)利用磁控溅射先后生长al2o3黏附层和au层；
66.7)清洗去胶；
67.8)研薄使au层与sio2层两者表面齐平，形成au微米颗粒阵列，然后超声波清洗；
68.9)磁控溅射生长相变材料薄膜150(如ge2sb2te5)；
69.10)利用衬底转移法，将振动激发层140(如h-bn分子层状薄膜)转移制备到相变材料薄膜150表面；
70.11)利用磁控溅射依次相变材料薄膜150和薄膜保护层170(如al2o3黏附层)；
71.12)利用ebl进行曝光、显影；
72.13)利用磁控溅射生长au层；
73.14)清洗去胶，形成第二颗粒阵列层160(如au纳米颗粒阵列)；
74.15)利用cvd低温生长薄膜包覆层180(如sio2层)。
75.在一些实施场景中，本技术实施例的中红外宽谱探测装置的典型几何参数示例如下：1)石英衬底：直径4英寸晶圆，厚度500μm；2)sio2缓冲层：厚度3-5μm；3)微米颗粒尺寸(xyz轴)：4μm
×
4μm
×
150nm；4)微米颗粒阵列周期(xy轴)：6μm
×
6μm；5)ge2sb2te5层厚度：上、下层各10nm；6)h-bn层厚度：5nm；7)al2o3层厚度：2nm；8)纳米颗粒尺寸(xyz轴)：120nm x 120nm x 50nm；9)纳米颗粒阵列周期(xy轴)：300nm x 300nm；10)sio2包覆层厚度：3μm。
76.请参见图4，图4为本技术实施例提供的基于相变材料的中红外宽谱探测系统的结构示意图，该基于相变材料的中红外宽谱探测系统20包括中红外激光器210、近红外激光器220、第一准直组件231、分束晶体组件240、滤波片250、拉曼光谱仪260、功率探测器270以及如图1至图3所示的基于相变材料的中红外宽谱探测装置10。
77.示例性地，分束晶体组件240包括第一分束晶体241和第二分束晶体242，中红外激光器210用于发射中红外光信号，中红外激光器210、中红外宽谱探测装置10、第一分束晶体241、滤波片250、第二分束晶体242、拉曼光谱仪260沿第一方向依次设置，近红外激光器220、第一准直组件231、第一分束晶体241沿第二方向依次设置，功率探测器270设置在第二分束晶体242的一端，第一方向和第二方向垂直。
78.示例性地，利用反斯托克斯光拉曼光谱强度与入射的中红外光信号功率线性正相关的特性，针对不同中红外宽谱探测装置10中的相变材料薄膜晶化程度，建立不同中红外波长下入射中红外光信号与反斯托克斯光的转换函数。在此基础上，通过确定相变材料薄膜晶化或去晶程度、泵浦光与反斯托克斯光的光强、波长共五个参数，利用转换函数，可以计算出入射中红外光的波长与强度。此外，在支持的工作波段内，当某一中红外波长下，反斯托克斯光强度较弱时，通过调整相变材料薄膜的晶化或去晶程度，将反斯托克斯光的强度进行优化增强，以此提高间接探测的精准度，拓宽器件的中红外光的探测谱宽。
79.可选地，中红外激光器210可以是宽谱中红外量子级联激光器、近红外激光器220可以是可见/近红外激光器；其中，近红外激光器参与频率上转换的泵浦光为长波可见光(红光)。
80.示例性地，中红外宽谱探测系统20还包括连续激光器280和第二准直组件232，分束晶体组件还包括第三分束晶体243，第三分束晶体243设置在中红外宽谱探测装置10、第一分束晶体241之间，连续激光器280、第二准直组件232、第三分束晶体243沿第三方向依次设置，第二方向和第三方向平行。
81.示例性地，中红外宽谱探测系统20还包括信号发生器290，信号发生器290与连续激光器280连接。
82.在一些实施场景中，本技术实施例的基于相变材料的中红外宽谱探测系统20还包括了光控材料相变子系统，用于调控相变材料薄膜150的晶化或去晶程度；可选地，相变材料薄膜150的材料采用ge2sb2te5，光控ge2sb2te5相变子系统包括532nm绿光激光器光激励源、准直透镜、聚焦物镜(na＝0.3)、高精度电动3d位移样品台、785nm近红外监测激光器、pin光电探测器和数字示波器。各部件功能如下：532nm绿光激光器光激励源、准直透镜和聚焦物镜(na＝0.3)是为了将绿光激光光斑聚焦形成2至3微米大小的高光功率密度的高斯光斑，通过高度聚焦的激光能量在微米尺度控制ge2sb2te5的相变。高精度电动3d位移样品台是通过高达0.1微米精度的样品精确移动，将同一相变程度的微米量级ge2sb2te5小区域进行无缝拼接，形成毫米量级、均匀相变的大区域。785nm近红外监测激光器、pin光电探测器和数字示波器的作用是：不同相变程度下，由ge2sb2te5在785nm波段介电常数变化导致器件在该波长反射率的改变，利用785nm近红外监测激光器照射到器件表面，然后通过pin光电探测器将反射光信号转化为电信号，并在数字示波器中读取，以此精确标定ge2sb2te5的相变程度。
83.示例性地，该光控ge2sb2te5相变子系统的工作原理是：当非晶态的ge2sb2te5温度超过160℃时将逐渐晶化，当晶态的ge2sb2te5温度超过熔点640℃时将液化，后经微秒级的快速冷却可重新形成非晶态的ge2sb2te5。本发明利用ge2sb2te5对该波长光的高吸收特性，将532nm绿光激光器直接照射到频率上转换器件表面，通过光热效应，将ge2sb2te5薄膜温度调控在160℃至640℃之间来动态、可循环地控制ge2sb2te5的相变程度。
84.可选地，中红外宽谱探测系统20作为表面声子极化激元频率上转换的系统，该系统部件的工作原理如下：中红外激光器210发射的中红外连续光信号，经过准直与物镜聚焦后，照射到器件样品(中红外宽谱探测装置10)的正面；而近红外激光器220发射的泵浦光信号，经过准直与物镜聚焦后，照射到器件样品的背面。其中，泵浦光信号在红外宽谱探测装置10的振动激发层140中的光场空间分布完全包含在中红外光的光场中，以保证最大频率上转换效率。被器件反射的泵浦光信号与频率上转换作用形成的(反)斯托克斯光，从器件背面离开。利用滤波片250滤除反射的泵浦光，再利用分束将(反)斯托克斯光分为两束：一束经聚焦汇入可见光的功率探测器270，用来监控(反)斯托克斯光的光功率，另一束则汇聚进入拉曼光谱仪260，用来监控(反)斯托克斯光的光谱特性如波长、谱宽。
85.示例性地，利用反斯托克斯光拉曼光谱强度与入射中红外光功率线性正相关的特性，针对不同ge2sb2te5晶化程度，建立不同中红外波长下入射中红光与反斯托克斯光的转换函数。在此基础上，通过确定ge2sb2te5晶化程度、泵浦光与反斯托克斯光的光强、波长共
五个参数，利用转换函数，可以计算出入射中红外光的波长与强度。此外，在支持的工作波段内，当某一中红外波长下，反斯托克斯光强度较弱时，通过调整ge2sb2te5的晶化程度，将反斯托克斯光的强度进行优化增强，以此提高间接探测的精准度，拓宽器件的中红外光的探测谱宽。
86.在一些实施方式中，本技术提供的基于相变材料的中红外宽谱探测系统20的具体工作步骤示例如下：
87.1)将中红外宽谱探测装置10放置在xyz三轴高精度电动位移台上；
88.2)打开近红外激光器220(785nm)，使785nm近红外激光从正面照射到中红外宽谱探测装置10的表面；
89.3)通过拉曼光谱仪260和功率探测器270，记录当前拉曼光谱和功率数据；
90.4)保持785nm近红外激光照射状态，然后打开中红外激光器210(单波长)，使785nm近红外激光和特定波长的中红外光同时从正面和背面照射到中红外宽谱探测装置10的表面；
91.5)观察功率探测器270中已探测功率变化及拉曼光谱仪260中是否存在反斯托克斯峰；
92.6)若出现强的反斯托克斯峰。通过监测反斯托克峰的波长，利用能量守恒定律，确定入射的中红外光波长。通过反斯托克斯峰值与入射中红外光功率的线性正相关关系，确定入射中红外光功率；
93.7)若未观测到明显的反斯托克斯峰。则打开连续激光器280(520nm)，通过信号发生器290给该连续激光器280施加调制，产生具有不同脉宽、强度和个数的脉冲信号组。结合高精度电动位移台，使中红外宽谱探测装置10内部ge2sb2te5发生适当程度的晶化(非晶—》晶态)或去晶(晶态—》非晶)。直至拉曼光谱上出现强的斯托克斯峰，然后重复步骤6)确定入射中红外光波长和功率；
94.8)若拉曼光谱上始终未出现反斯托克斯峰，则表明入射中红外光波长超过该探测系统的探测波段或者其功率小于该系统探测功率阈值。
95.示例性地，本技术实施例提供的中红外宽谱探测系统20与现有直接中红外探测技术相比所具有的优点为：可在室温环境工作；中红外的探测波段更宽。针对基于频率上转换的现有间接中红外探测技术，与基于非线性光学体晶体材料lino3相比，本技术中用到的器件尺寸小，利于片上集成。与基于bpht分子层材料相比，bpht分子熔点在110℃左右，而ge2sb2te5的熔点在640℃。所以，本技术可在更高的环境温度下工作。另外，在这种基于bpht分子机械振动为媒介的频率上转换中红外间接探测中，由于分子振动模式为分子的固有属性，不易调制。因此，这种间接探测技术的探测波段通常为单波长或窄波段。而本发明技术利用ge2sb2te5晶化程度导致的折射率变化，对h-bn中sphps色散关系进行显著调制，从而改变晶格集体机械振动的频率，基于频率上转换可以实现更宽的中红外探测波段。
96.在一些实施方式中，中红外宽谱探测装置10以在二维层状h-bn中激发的sphps为媒介，实现中红外光—》可见光的频率上转换，并对中红外光功率进行间接探测；双波段共振的等离激元超表面设计，完成低功率连续中红外光频率上转换的非线性光学效应，提高中红外光探测灵敏度；利用ge2sb2te5准连续多阶相变调节，实现频率上转换的动态扫频调控，完成中红外光的宽谱探测。
97.在本技术所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本技术实施例不再多加赘述。
98.应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
99.在本技术的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
100.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应与权利要求的保护范围为准。