一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，特别是涉及一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统。

背景技术

等离激元共振通常是指金属结构表面的自由电子在外加电磁波照射下引起的集体振荡，在金属表面形成局域电磁场增强效应。超材料，又名新型人工电磁材料，是由亚波长基本单元按一定规则排列所构成的呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。通过对超材料结构的设计以及排列方式的选择可以改变超材料的物理性质，这与仅有固有属性的普通天然材料大为不同。超材料可以实现任意的等效介电常数与磁导率，远超出天然材料所能达到的参数范围，因此调控电磁波的能力得到极大增强。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料。二维材料在红外和太赫兹场中与入射波相互作用时具有类似金属特征的奇特的性能，并且在分散领域具有独特而优异的性能，包括热，机械，电气和光学。二维材料的表面导电性可以通过光诱导掺杂或电子门控的方法，通过控制二维材料费米能级的变化而不断地调整，这无疑为超材料性质的多样性带来了更为丰富的可能性。同时，二维材料能够支持表面等离子体共振，这使得大量光能得以集中，从而提高光的吸收。热释电探测器是一种利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探测器。热释电型探测器所利用的是温度变化率，能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达D≈1～2×109厘米·赫/瓦。高光谱成像技术是一种将成像技术与光谱探测技术结合，可以同时获取探测目标的二维空间信息和光谱信息的先进技术。高光谱成像技术在光谱维度上进行了非常细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有上百个通道。因此，通过高光谱成像系统获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。

自1983年，美国国家航空和航天管理局研制了世界上第一台高光谱成像仪以来，高光谱成像技术已经经历了数十年的发展与积累，形成了丰富的产品种类。高光谱成像系统从成像方法的角度分类，有挥扫式、推扫式、快照式以及凝视式高光谱成像系统，覆盖波段可从可见光一直到长波红外，广泛应用于各类机载载荷以及遥感卫星等领域。

挥扫式高光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，光机扫描的方式导致仪器的体积重量较大，而且曝光时间，空间分辨率和系统灵敏度相互制约，同时提高光谱和空间分辨率异常困难。推扫式高光谱成像系统探测空间中一维线视场的光谱，由于探测器件尺寸和光学设计的困难，总视场角一般只能达到30度左右，并且一次需要对上万个探测器元件进行定标，处理负荷大且不稳定因素很多。快照式高光谱成像系统大多数采用空间分辨率换取光谱分辨率的方法，由二维空间图像重排或重构出三维图像数据立方体，为此快照式光谱成像难以同时获得较多的空间像素数和光谱通道数。

凝视式高光谱成像系统使用面阵探测器依次记录二维空间的各个波段的图像数据，获取三维图像立方体，不需要采用动镜或通过平台移动来实现空间维成像，不被扫描速度限制，具有结构紧凑，体积功耗小等优势。凝视式高光谱成像系统中，分光系统一般为可调型滤光片如声光调制滤光片和电光可调谐滤光片。声光可调谐滤光片是以各向异性晶体为材料和介质，以布拉格衍射效应为原理，发生在声光相互作用下的可调谐滤光系统。声光可调谐滤光片主要构成部分有三个，分别为声光介质、换能器阵列以及声终端。声光可调谐滤光系统由于受到分光器件的局限性使得系统存在通光口径较小，成本较高，以及图像飘移等缺点。电光可调谐滤光片实现调谐分光主要是利用晶体的电光、压电效应以及电致伸缩和液晶的电控双折射效应。液晶电光调谐是目前最具优势的调谐方式。当对液晶施加外部电压时，电压的不同会促使液晶分子有不同角度的旋转，使得液晶折射率不同，从而实现对波长的调谐。

然而，如何快速改变高光谱成像系统的成像频率，实现高光谱成像，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统，通过调节外接电源的电压主动改变高光谱成像系统的吸收频率，从而快速改变该高光谱成像系统的成像频率，最终实现高光谱成像。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统，包括：

面阵探测器；所述面阵探测器包括呈阵列式排布的多个像元；

所述像元包括：

热释电探测层、金属层、介质隔离层、二维材料层、离子凝胶层和电极；

所述金属层设置在热释电探测层上方、所述介质隔离层设置在所述金属层上方，所述二维材料层设置在所述介质隔离层上方，所述二维材料层的上方涂覆有离子凝胶层；

所述电极，具体包括：源极、栅极和漏极；

所述栅极设置在所述离子凝胶层上方，所述源极和所述漏极分别设置在所述离子凝胶层两侧，并且所述源极和所述漏极均与所述离子凝胶层接触；所述源极与第一外接电源的正极连接，所述栅极与第二外接电源的正极连接，所述漏极分别与所述第一外接电源的负极和所述第二外接电源的负极连接；调节第一外接电源的电压和/或第二外接电源的电压可主动改变该高光谱成像系统的吸收频率，从而改变该高光谱成像系统的成像频率，最终实现高光谱成像。

可选的，

所述热释电探测层为热释电探测器或/和热释电传感器。

可选的，

所述金属层的材质为铜。

可选的，

所述金属层的厚度为0.2～2.0μm。

可选的，

所述介质隔离层的材质为二氧化硅。

可选的，

所述介质隔离层的厚度为2.0～8.0μm。

可选的，

所述二维材料层的材料为石墨烯、二硫化钼、黑磷、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨。

可选的，

所述二维材料，具体包括：

周期性排列的多个二维材料分裂环谐振器阵列结构单元；

所述二维材料分裂环谐振器阵列结构单元，具体包括：

第一端部水平段、第二端部水平段、第三端部水平段、第四端部水平段、第一端部垂直段、第二端部垂直段、第三端部垂直段、第四端部垂直段、第一连接水平段、第二连接水平段和中心垂直段；

所述中心垂直段一端与所述第一连接水平段连接，所述中心垂直段另一端与所述第二连接水平段连接，所述第一连接水平段与所述第二连接水平段平行设置，并且所述第一连接水平段与所述第二连接水平段的垂直平分线重合，所述中心垂直段位于所述垂直平分线上；

所述第一端部垂直段的一端与所述第一连接水平段的一端连接，所述第一端部垂直段的另一端与所述第一端部水平段连接，并且所述第一端部垂直段位于所述第一端部水平段的垂直平分线上；

所述第二端部垂直段的一端与所述第一连接水平段的另一端连接，所述第二端部垂直段的另一端与所述第二端部水平段连接，并且所述第二端部垂直段位于所述第二端部水平段的垂直平分线上；所述第一端部水平段与所述第二端部水平段横向平行；

所述第三端部垂直段的一端与所述第二连接水平段的一端连接，所述第三端部垂直段的另一端与所述第三端部水平段连接，并且所述第三端部垂直段位于所述第三端部水平段的垂直平分线上；所述第一端部水平段与所述第三端部水平段纵向平行；

所述第四端部垂直段的一端与所述第二连接水平段的另一端连接，所述第四端部垂直段的另一端与所述第四端部水平段连接，并且所述第四端部垂直段位于所述第四端部水平段的垂直平分线上；所述第四端部水平段与所述第三端部水平段横向平行，所述第四端部水平段与所述第二端部水平段纵向平行。

可选的，

所述第一连接水平段和所述第二连接水平段的长度均为0.5-5.5μm；

所述中心垂直段的长度为0.5-5.5μm；

所述第一端部水平段、所述第二端部水平段、所述第三端部水平段和所述第四端部水平段的长度均相等，为0.1-4.5μm；

所述第一端部垂直段、所述第二端部垂直段、所述第三端部垂直段和所述第四端部垂直段的长度和宽度均相等，长度为0.05-3.5μm，宽度为0.1-2.0μm；

所述第一端部水平段和所述第三端部水平段的间距与所述第二端部水平段和所述第四端部水平段的间距相等，均为0.05-2.5μm。

可选的，

所述二维材料分裂环谐振器阵列结构单元的长度与宽度相等，均为1.0-6.0μm。

可选的，还包括：

数据处理器和显示器；

所述数据处理器分别与所述面阵探测器和所述显示器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统，该系统的核心部件是由像元阵列组成的面阵探测器。每个像元包括热释电探测层、金属层、介质隔离层、二维材料层、离子凝胶层和电极；金属层在热释电探测层上方、介质隔离层设置在金属层上方，二维材料层设置在介质隔离层上方，通过在二维材料层的上方涂覆有离子凝胶层并施加电压，二维材料能够实现化学上的n掺杂，通过在离子凝胶层施加电压从而把离子凝胶里面的电荷注入到二维材料中，形成了两个PN结，电流从源极流入，漏极在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区(薄的二维材料层)，此时两个PN结的N结相连的作为栅极，与两个P结连起来分别做源极和漏极，构成了一个场效应管。通过这种在外部施加电压的方法来调控二维材料的化学势，使得二维材料的载流子浓度发生改变，进而使得二维材料的电导率发生改变，此时随着施加电压值发生变化，二维材料层有了不同的化学势，系统吸收频率随之发生变化，使得本发明可以在不同频率下成像，最终实现高光谱成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统示意图；

图2为本发明实施例中表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统面阵探测器像元结构示意图；

图3为本发明实施例中二维材料分裂环谐振器阵列结构单元示意图；

图4为本发明实施例中通过调控二维材料的化学势得到可调谐的吸收光谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统，通过调节外接电源的电压主动改变高光谱成像系统的吸收频率，从而快速改变该高光谱成像系统的成像频率，最终实现高光谱成像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统的结构示意图；图2为本发明实施例中表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统面阵探测器像元结构示意图；图3为本发明实施例中二维材料分裂环谐振器阵列结构单元示意图。

如图1-3所示，本发明提供的表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统包括面阵探测器、数据处理器和显示器；数据处理器分别与面阵探测器和显示器连接。面阵探测器包括呈阵列式排布的多个像元；每个像元包括：热释电探测层1、金属层2、介质隔离层3、二维材料层4、离子凝胶层5和电极。金属层2设置在热释电探测层1上方，介质隔离层3设置在金属层2上方，二维材料层4设置在介质隔离层3上方，二维材料层4的上方涂覆有离子凝胶层5。热释电探测层1为热释电探测器和/或热释电传感器；金属层2的材质为铜，金属层2的厚度为0.2～2.0μm；介质隔离层3的材质为二氧化硅，介质隔离层3的厚度为2.0～8.0μm。

电极，具体包括：源极6、栅极7和漏极8。栅极7设置在离子凝胶层5上方，源极6和漏极8分别设置在离子凝胶层5两侧，并且源极6和漏极8均与离子凝胶层5接触；源极6与第一外接电源V

二维材料层4，具体包括：周期性排列的多个二维材料分裂环谐振器阵列结构单元。

二维材料分裂环谐振器阵列结构单元，具体包括：

第一端部水平段8、第二端部水平段9、第三端部水平段10、第四端部水平段11、第一端部垂直段12、第二端部垂直段13、第三端部垂直段14、第四端部垂直段15、第一连接水平段16、第二连接水平段17和中心垂直段18。

中心垂直段18一端与第一连接水平段16连接，中心垂直段18另一端与第二连接水平段17连接，第一连接水平段16与第二连接水平段17平行设置，并且第一连接水平段16与第二连接水平段17的垂直平分线重合，中心垂直段18位于垂直平分线上。

第一端部垂直段12的一端与第一连接水平段16的一端连接，第一端部垂直段12的另一端与第一端部水平段8连接，并且第一端部垂直段12位于第一端部水平段8的垂直平分线上。

第二端部垂直段13的一端与第一连接水平段16的另一端连接，第二端部垂直段13的另一端与第二端部水平段9连接，并且第二端部垂直段13位于第二端部水平段9的垂直平分线上；第一端部水平段8与第二端部水平段9横向平行。

第三端部垂直段14的一端与第二连接水平段17的一端连接，第三端部垂直段14的另一端与第三端部水平段10连接，并且第三端部垂直段14位于第三端部水平段10的垂直平分线上；第一端部水平段8与第三端部水平段10纵向平行。

第四端部垂直段15的一端与第二连接水平段17的另一端连接，第四端部垂直段15的另一端与第四端部水平段11连接，并且第四端部垂直段15位于第四端部水平段11的垂直平分线上；第四端部水平段11与第三端部水平段10横向平行，第四端部水平段11与第二端部水平段9纵向平行。

其中，

第一连接水平段16和第二连接水平段17的长度均为0.5-5.5μm；中心垂直段18的长度为0.5-5.5μm；第一端部水平段8、第二端部水平段9、第三端部水平段10和第四端部水平段11的长度均相等，为0.1-4.5μm；第一端部垂直段12、第二端部垂直段13、第三端部垂直段14和第四端部垂直段15的长度和宽度均相等，长度为0.05-3.5μm，宽度为0.1-2.0μm；第一端部水平段8和第三端部水平段10的间距与第二端部水平段9和第四端部水平段11的间距相等，均为0.05-2.5μm。二维材料分裂环谐振器阵列结构单元的长度与宽度相等，P

优选的，给出一个表面等离激元超材料热释电高光谱成像系统的几何参数的实例：最底层是一层热释电探测层1，热释电探测层1上是一层厚度为0.475μm的金属铜层2，其电导率为σ＝5.8x 10

本发明实现高光谱成像的原理：

二维材料以石墨烯为例，

系统的吸收效率可表示为：A(ω)＝1-|S

另外，石墨烯具有双极性传输特性，通过在顶部设计的分裂环谐振器结构的石墨烯纳米结构层上旋转涂覆高电容离子凝胶层并施加电压，石墨烯可以灵活施加不同的正负电压，实现化学上的n掺杂，通过在电容离子凝胶层施加电压从而把离子凝胶里面的电荷注入到石墨烯中，形成了两个PN结，电流从源极流入，漏极在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区(薄的石墨烯层)，此时两个PN结的N结相连的作为栅极，与两个P结连起来分别做源极和漏极，就构成了一个场效应管。通过这种在外部施加电压的方法来调控石墨烯的化学势，使得石墨烯的载流子浓度发生改变，进而使得石墨烯的电导率发生改变，此时随着施加电压值发生变化，石墨烯层就有了不同的化学势，该吸收器的吸收频率也跟着发生了变化，也就是该吸收器可以选择性的吸收所需吸收的频率。石墨烯表面等离激元超材料吸收器所吸收的电磁波全部转化成红外热辐射，热释电探测层对红外热辐射变化极其敏感，可迅速探测吸收器红外热辐射变化，并将其转化为电信号，传递给数据处理中心，经过数据处理(放大、转换或其他标准视频信号处理等)，即可得到相应频率下的图像，由于该成像系统吸收频率可调，因此可以得到不同频率下图像，将所有频率下的图像进行处理，即可得到高光谱图像。

本发明通过结合石墨烯等离激元超材料吸收器和热释电探测技术，实现了高光谱成像，提出了一种新的高光谱成像方案。本发明通过在分裂环谐振器石墨烯阵列的结构层上旋转涂覆高电容离子凝胶层来调整石墨烯的化学势，实现对不同频率电磁波的可调吸收，最终实现高光谱成像功能。由于其良好的机械弹性、疲劳稳定性、电化学和热稳定性，离子凝胶可与各种衬底上的可调谐石墨烯等离激元器件兼容。图4研究了化学势(μc)对石墨烯分裂环谐振器结构吸收光谱的影响，如图4所示，在τ＝0.9ps(τ为弛豫时间)情况下，不同的石墨烯化学势(μ

本发明的优点在于结合了二维材料等离激元超材料吸收器和热释电探测技术，得到了一种高光谱成像技术。通过调整外部电压，可以主动改变该高光谱成像系统的吸收频率，从而改变该高光谱成像系统的成像频率，实现高光谱成像。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。