一种基于金属线栅复合薄膜的紫外偏振光谱探测器的制作方法

1.本发明涉及荧光转换偏振光谱领域，具体涉及一种基于金属线栅复合薄膜的紫外偏振光谱探测器。


背景技术：

2.紫外探测器是一种将紫外辐射转换为电信号(电流或电压)的光电探测器。紫外辐射的波段较宽，10nm～380nm，由于火焰、石油、气体污染物分子和宇宙空间以及高压的电晕现象都会含有紫外线辐射，因此紫外探测在航天、通讯、民用检测等领域都有着广泛的应用需求。不受电磁干扰、高保密性以及环境适应性强是紫外探测独特优势。
3.偏振是对光信息的另一种重要扩展，人们所熟知的基本信息为色彩(波长)和亮度(光强)，因为人类的视觉系统很难辨别偏振信息，所以被忽略。偏振是光波的基本属性，在电磁波空间传输的过程中，偏振所呈现的是电磁波的振动状态。由于自然光会与物体的表面发生相互作用，其偏振状态会产生改变，这种特性的发现与研究使得偏振探测技术的应用价值得以实现。目前，国内外对偏振探测的研究基本集中在红外波段和可见光波段，随着光学元件微型化、光学系统集成化的发展趋势下，随着微纳加工技术的成熟，紫外波段的偏振光学元件在日益受到人们的关注。而现有探测和成像器件多为硅基结构，此结构限制了图像传感器(ccd)、感光元件(cmos)等成像器件的光谱响应范围，导致紫外探测器相比于可见探测器价格昂贵，紫外波段信息探测技术成熟度远不及可见或者红外波段。
4.目前通常采用两种技术路线来对紫外辐射进行探测：一种是将背照式硅基探测器进行背减薄，另一种是在前照式硅基探测器表面涂覆紫外-可见光转换膜，转换膜把紫外辐射转换为可见光，再借由硅基探测器对可见光的良好响应，从而使硅基探测器能够间接地探测紫外辐射。国外研究者对有机荧光材料作为紫外-可见光转换材料的硅基ccd紫外增强器件进行过系统研究，结果表明lumogen、晕苯等材料都可实现ccd器件的紫外增强。
5.然而，大多数发光材料不能够实现偏振发光，无法实现紫外偏振光谱探测。只有少数低维各向异性半导体量子点能够达到，量子点材料具有光谱可调，容易分散，发光效率高等特点，是一类具有紫外-可见光谱转换的极佳材料。现有光谱研究已经表明，单颗粒各向异性量子点荧光发射的偏振度可以达到0.9，是理想的偏振发光材料。但是只限于单根，由于大面积取向困难所以用于应用较为困难。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于金属线栅复合薄膜的紫外偏振光谱探测器，解决了现有技术中硅基结构限制光谱响应范围和量子点大面积取向困难的问题。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
8.一种基于金属线栅复合薄膜的紫外偏振光谱探测器，该探测器包括：
9.亚波长线栅结构，所述亚波长线栅结构根据设定选择透过已知偏振方向的紫外偏
振光；
10.紫外-可见光转换薄膜，所述紫外-可见光转换薄膜复合在所述亚波长线栅结构的背部，将所述已知偏振方向的紫外偏振光转换为可见光；
11.成像显示器件/光谱仪，所述成像显示器件/光谱仪接收所述可见光，探测经由所述亚波长线栅结构和紫外-可见光转换薄膜后透射可见光的光谱信息和偏振信息。
12.优选的，所述亚波长线栅结构的材料为具有偏振选择特性，紫外线透过率大于40％以上，具有高消光比大于7:1，具有透射紫外tm偏振光以及共振吸收峰和紫外波段相匹配的铝材料。
13.优选的，所述亚波长线栅结构形成偏振多方向模块，所述模块透过入射紫外光的不同方向的偏振分量。
14.优选的，所述模块的尺寸为1.5cm
×
1.5cm～2cm
×
2cm，所述亚波长线栅结构的尺寸小于10cm
×
10cm。
15.优选的，所述紫外-可见光转换薄膜包括具有吸收紫外波段且发出可见波段的荧光的宽带隙硒化镉类量子点材料。
16.优选的，通过调节量子点材料和形貌来调控紫外-可见光转换薄膜的荧光光谱范围。
17.优选的，所述硒化镉类量子点材料响应波长覆盖范围为256nm～532nm，发射中心波长在620nm～630nm，且具有25nm的窄半峰宽；量子点尺寸为3nm～10nm。
18.优选的，所述成像显示器件外部设置有扩束器和设置有截止其他辐射的光学薄膜或器件。
19.优选的，所述成像显示器件是百万级或千万级像素的ccd或cmos相机；所述光谱仪具有高信噪比大于1000:1，并且高于90％的量子化效率。
20.优选的，还包括设置在所述光谱探测器外的黑箱。
21.本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于金属线栅复合薄膜的紫外偏振光谱探测器能够使用可见ccd/cmos/光谱仪来实现对紫外偏振光的探测，大幅度提高紫外偏振探测范围，提高对目标的识别能力。其次还具有体积小、功耗低、抗扰能力强、对环境要求低、易于实现器件集成、面积可控等优点。
附图说明
22.图1本发明金属线栅复合薄膜的结构示意图。
23.图2本发明不同半波片角度下cdse@zns量子点基复合薄膜偏振发光曲线。
24.图3本发明cdse@zns量子点基复合薄膜发光强度随激发光偏振角度变化的极坐标图。
具体实施方式
25.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
26.图1为根据本发明实施例的金属线栅复合薄膜立体示意图，本发明的偏振光谱探测器包括：
27.亚波长线栅结构1，所述亚波长线栅结构1根据设定选择透过已知的偏振方向紫外偏振光；具体地，亚波长线栅结构1为具有紫外偏振选择特性的金属微纳结构；优选的材料为具有与紫外辐射相同的共振吸收峰的金属铝，亚波长线栅结构1形成具有周期性排列的结构，更好的限制紫外辐射特定偏振方向。在实践中，匹配目标探测器相适应的形状进行设计。优选的，金属铝线栅对紫外透过率超过40％，消光比达到7:1。
28.紫外-可见光转换薄膜2，所述紫外-可见光转换薄膜2通过l-b薄膜技术(langmuir-blodgett膜)将量子点薄膜通过提拉方式复合到在所述亚波长线栅结构1的背部，用于吸收所述紫外偏振光并将其转换为可见光；所述紫外-可见光转换薄膜2包括具有吸收紫外波段且发出可见波段的荧光的宽带隙硒化镉类量子点材料，可以通过调节量子点材料的成分和形貌来调控紫外-可见光转换薄膜出射荧光光谱的范围。本实施例中，所述硒化镉类量子点材料响应波长覆盖范围为256nm～532nm，发射中心波长在620nm～630nm，且具有25nm的窄半峰宽；量子点尺寸为3nm～10nm。
29.成像显示器件/光谱仪，所述成像显示器件/光谱仪接收所述可见光，用于探测经由亚波长线栅结构1和紫外-可见光转换薄膜2透射可见光的光谱信息和偏振信息。成像显示器件/光谱仪为硅基材料器件，包括电荷耦合元件ccd、电子倍增电荷耦合元件emccd或cmos成像器件，与亚波长线栅结构1和紫外-可见光转换薄膜2进行耦合关联。优选地，ccd或cmos相机具有百万级像素或者千万级像素，光谱仪具有高信噪比(1000:1)以上和高于90％的量子化效率。
30.所述成像显示器件外部设置有扩束器、有截止其他辐射的光学薄膜或器件。在所述亚波长线栅结构1、紫外-可见光转换薄膜2和成像显示器件/光谱仪外部设有黑箱。
31.本实施例中，亚波长线栅结构1的金属线栅结构与紫外-可见光谱转换薄膜2耦合形成多方向网格化结构的偏振光谱探测系统，其中亚波长线栅结构1通过排布形成偏振多方向模块，所述偏振多方向模块可透过不同偏振方向的入射紫外光。
32.在实施例中，多方向网格化结构中每个模块的大小为1.5cm
×
1.5cm～2cm
×
2cm，所述整体网格化亚波长线栅结构1的尺寸小于10cm
×
10cm。所述多方向金属线栅阵列结构和紫外-可见光谱转换薄膜为正方形阵列排布，多方向排列可以获得不同偏振方向紫外光的入射强度。
33.本发明实施例的偏振光谱探测器的工作原理为，自然可见光信息和带有识别目标信息的紫外光信号组成入射光入射到亚波长线栅结构1上，亚波长线栅结构1用于对紫外辐射的偏振选择，目标发出紫外光偏振方向若与线栅可通过方向一致，而通过光强为最大值，反之则逐渐减小。且偏振选择后紫外偏振光激发紫外-可见光谱转换薄膜2后产生荧光光谱信号，紫外光信号转换成可见光信号，亚波长线栅结构1能够有效去除预期紫外偏振方向外所有的紫外偏振信号，保证产生荧光为仅吸收特定偏振方向的紫外辐射信号。入射紫外光偏振方向越与亚波长线栅结构1一致，在转换过程中紫外-可见光转换薄膜2效率越高，可见光强度越大。在偏振选择透射和吸收转换过程中，透过tm偏振光或te偏振光会带有少量其他偏振分量，且对会有一定损耗无法到达100％转换效率，在探测过程中，会出现很小误差。
34.经过量子点材料转换后的可见光照射到成像显示器件/光谱仪，成像显示器件/光
谱仪之前会滤除紫外辐射和/或其他干扰辐射并采集带有目标的光信息。而多方向亚波长线栅结构1和紫外-可见光谱转换薄膜2与成像显示器件/光谱仪进行耦合，入射光的每一个偏振方向都会使得网格后紫外-可见光谱转换薄膜呈现不一样的强弱，从而分析入射紫外光的偏振方向。
35.经过转换后的光信息被成像显示器件/光谱仪吸收后，经过光电倍增管等真空电子器件，将光信号转换成电信号，转换成对应的成像信息和光谱信息。亦即，转换后的光信息分量入射到成像显示器件/光谱仪上成像，通过对光信息强弱的比对，结合大数据分析，最终实现目标探测与识别。
36.如图2所示，本发明紫外-可见光谱转换薄膜2的荧光光谱图表明紫外-可见光谱转换薄膜2的发射峰位为625nm，且具有25nm的窄半峰宽，具有优异的发光性能。图3为金属线栅紫外-可见光谱转换薄膜复合材料偏振发光极坐标，展现出了性能较强的偏振选择特性。
37.综上所述，本发明提供了一种偏振光谱探测器，其基于包括亚波长线栅结构1和量子点材料的紫外-可见光谱转换薄膜2，能够获得各种紫外信息(光强与光谱、偏振信息)，通过亚波长线栅结构1高效率利用入射光的紫外偏振信息和量子点材料高转换效率，能够增强成像显示器件/光谱仪对其进行采集，且多方向的集成，更能够提高对紫外信息探测的精度与准确性。还具有可根据环境调整器件集成方向和数量。
38.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。