极性可调的中红外半金属偏振探测器

偏振（名词解释 >），作为光的一种基本属性，在成像，通信，传感等光学几乎所有领域中都扮演着重要的角色。譬如就成像而言，光的偏振，作为光的第三维度，可以提供强度和颜色之外的信息。偏振相机可以具有穿云透雾以及洞察结构内部应力等功能。

极性可调的中红外半金属偏振探测器

偏振相机捕捉到的透明塑料中的应力分布

图源：Light，新媒体工作组

但是，光学偏振的探测却并不很容易。目前商用的探测器基本都只对光强和颜色敏感，如需探测偏振则要在镜头前加一些波片以及偏振片。这听起来似乎很容易。但实际上，因为完整的光偏振信息包含了四个自由度（可以用斯托克斯参量来表示），所以我们需要不止一套波片和偏振片的组合。如何方便地对各种偏振分量进行测量就成了实际中的一个核心问题。

极性可调的中红外半金属偏振探测器

偏振片在摄影中的应用

图源：Light，新媒体工作组

针对这个问题，已经有一些方法被提出，但他们都存在着一些问题：

（一）分时成像方法。这种方法采用转轮的方式，在时间顺序上依次获取不同偏振态的图像。因为其设计较复杂，不好进行片上集成以及时间分辨率有限，这种方法的前景并不被看好。

（二）分振幅成像方法。这种方法通过一系列偏振光学元件将不同偏振分量的光在空间上分离开，然后用多个探测器分别进行探测。该方法具有全斯托克斯测量等优势，但是其原理要求器件必须具有较大的空间体积，以便不同分量的光通过空间传播一定距离后得以分离，所以也无法做到真正的片上探测。

（三）分焦平面成像方法。这种方法在成像焦平面的探测器阵列顶部加工了图案化的线栅微偏振器。这种方法目前已经被商用，但其仍存在无法提供完整偏振信息以及无法处理中长波段（特别是中远红外）的缺点。

除了上面三种方法，最近还有一种方法越来越多地得到大家的关注，那就是自身对偏振敏感的光电探测器。因为不需要外加波片以及偏振片等光学元件，此类功能性光电探测器不会受到像素串扰的影响，从而使其能够以超高像素密度进行偏振成像。这背后的原理是基于材料或者结构的各向异性吸收。但因为这个原理的限制，器件的偏振比（Polarization ratio）普遍不高。

为了解决这一问题，新加坡国立大学的研究团队对目前偏振敏感的光电探测器进行了归纳梳理，发现存在两种不同的偏振响应，文中被称为“单极性”和“双极性”偏振响应。研究团队进一步提出一套基于石墨烯中非局部矢量光电流的方案，通过改变一对纳米天线的角度，可以实现这两种偏振响应的切换。

这个工作揭示了偏振比的值可在1→∞/-∞→-1范围内遍历，而非以往大家通常以为的正值，如下图中This Work所对应区域所示。其中，无穷大的偏振比在单极性和双极性偏振响应的转换点上取得。

极性可调的中红外半金属偏振探测器