[论文解读] Broadband polarization-independent low-crosstalk metasurface lens array-based mid wave infrared focal plane arrays

Aytekin Özdemir, Nazmi Yılmaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于中波红外（MWIR）焦平面阵列（FPAs）的宽带、偏振无关、全介质超表面透镜阵列，实现了超过85%的高聚焦效率和低于2.8%的低光学串扰。通过设计亚波长介质纳米结构，该设计实现了紧凑、高分辨率的FPAs，其品质因数（FoM）达到91——超越了所有先前的MWIR FPA设计——从而提升了信噪比和灵敏度。

ABSTRACT

The miniaturization of pixel is essential for achieving high-resolution, planar, compact-size focal plane arrays (FPAs); however, the resulted increase in the optical crosstalk between adjacent pixels leads to serious drawback and trade-off. In the current work, we design and propose an efficient broadband polarization-insensitive all-dielectric metasurface lens array-based focal plane arrays (FPA) operating in the mid-wave infrared (MWIR). High focusing efficiency over 0.85 with superior optical crosstalk performance is achieved. We demonstrated that optical crosstalk can be reduced to low levels below 2.8% with high efficiency. For the device performance, a similar figure-of-merit (FoM) from the previous reports was used and our device achieved FoM of 91 which outperformed all other types MWIR FPAs designed so far. Proposed metasurface lens arrays demonstrate great potential for increasing the signal to noise ratio and sensitivity thus paving the way for compact-size, high-resolution FPAs.

研究动机与目标

• 为克服高分辨率中波红外（MWIR）焦平面阵列（FPAs）中像素微型化与光学串扰之间的权衡。
• 开发一种平面化、紧凑的FPA设计，在保持高聚焦效率的同时，实现宽红外带宽下的最小串扰。
• 在基于介质超表面的MWIR FPAs中实现偏振无关与宽带工作。
• 提升MWIR FPAs的品质因数（FoM），超越现有设计，以增强灵敏度和信噪比。

提出的方法

• 利用全介质亚波长纳米结构设计超表面透镜阵列，以调控中红外波的相位和振幅。
• 采用非周期性、几何结构工程化的纳米鳍阵列，实现宽带、偏振无关的波前调控。
• 通过优化介质结构的几何形状和折射率对比度（例如SiO2/Si），在整个MWIR波段实现超过85%的高聚焦效率。
• 使用全波电磁仿真模拟并验证光学响应，包括串扰和聚焦效率。
• 基于聚焦效率和串扰定义品质因数（FoM），用于与先前工作进行性能对比。
• 通过数值仿真验证设计，结果显示在MWIR谱段内串扰极低（<2.8%）且效率高。

实验结果

研究问题

• RQ1 超表面透镜阵列是否能在中波红外波段实现超过85%的聚焦效率，同时保持低于2.8%的光学串扰？
• RQ2 如何在用于MWIR应用的介质超表面透镜阵列中实现偏振无关性？
• RQ3 宽带、偏振无关的MWIR FPA可实现的最大品质因数（FoM）是多少？是否能超越现有设计？
• RQ4 亚波长介质纳米结构能否实现紧凑、平面化且高分辨率的FPA架构，同时最小化串扰？

主要发现

• 超表面透镜阵列在中波红外波段实现了超过85%的聚焦效率。
• 光学串扰降低至2.8%以下，显著减轻了高密度FPAs中的像素间干扰。
• 该器件实现了91的品质因数（FoM），为迄今报道的MWIR焦平面阵列中最高值。
• 该设计具有偏振无关性，可在任意入射偏振态下保持稳定性能。
• 宽带工作在全MWIR光谱范围内保持稳定，适用于高分辨率成像应用。
• 全介质方法确保了低吸收和高热稳定性，适用于实际的MWIR成像系统。