中国科学技术大学精密机械与精密仪器系赵旸教授团队研究设计了一种长波红外(Long-wavelength Infrared, LWIR）微型超构透镜阵列与光机械红外探测器的单片集成方案，并对其进行了制造和表征。该团队开发了一种MEMS(Microelectromechanical Systems)加工工艺，将微型超构透镜阵列直接制作在红外探测器衬底的背面。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，红外探测器的等效填充因子得到了显著提高，从而获得了更灵敏的红外响应。实验测试结果表明，单片集成微型超构透镜阵列显著提升了光机械红外探测器在长波红外8~14 μm波段的响应率，实现了81.8%的性能提升。
红外探测技术在工业、汽车、消费电子等诸多领域都有着广泛的应用。然而，红外探测器在灵敏度、成本效益以及集成性等方面均无法与可见光探测器相比，这激发研究人员开始探索使用可见光探测器进行红外探测的新方法。其中，基于双材料微悬臂梁热变形的光机械非制冷红外探测器正是利用了这种新方法，通过“红外光-热-机械-可见光”能量转换实现红外测量，展现了巨大的应用潜力。然而，与大多数类型的红外探测器一样，它也面临着填充因子低的限制，即光敏区域占像素面积小导致光能利用效率低下。
微型超构透镜是一种基于亚波长结构设计的平面微透镜。与传统的曲面微透镜不同，微型超构透镜通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度、波长或偏振，从而实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得超构透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。同时，它们与MEMS高度兼容，广泛应用于高分辨成像、光学传感器和虚拟现实（VR）设备等领域。微型超构透镜阵列有望与红外探测器单片集成，从而大幅提升入射红外光的利用效率，增强红外探测器的响应。
创新点一：提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案。该工作中，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，将整个像素面积内的光聚焦与远小于像素面积的光吸收区域（Absorber），从而显著提高红外探测器的等效填充因子，获得了更灵敏的红外响应。
图1 集成微型超构透镜显著提高红外探测器的像素利用区域
图2 单片集成微型超构透镜的红外探测器
创新点二：利用不同尺寸亚波长单元结构对光的相位进行调控，模拟出微型超构透镜的相位轮廓，即可实现对光的聚焦调控。仿真计算结果表明，当吸收板尺寸为26 μm × 26 μm时（像素尺寸为60 μm，填充因子为19%），超过80%的入射辐射可以被吸收板所接收，极大地提升了光能利用效率。
图3 面向长波红外应用的微型超构透镜阵列设计与仿真计算：（a）单个微型超构透镜的结构示意图；（b,c）微型超构透镜阵列在x-z平面(x=0)以及x-y平面(z=300 μm焦点处)的光场分布
创新点三：探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。为超构光学与MEMS器件的集成提供了设计与制备基础，而MEMS与超构透镜的集成将推动新一代光学器件的发展，提升其在各类应用中的表现。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。
图4 单片集成微型超构透镜的红外探测器阵列制造与表征：（a）微纳加工工艺；（b,c）正面光机械红外探测器阵列；（d,e）背面微型超构透镜阵列
图5 集成与未集成微型超构透镜的红外探测器像素的响应
提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，提高红外探测器的等效填充因子。探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。未来可通过逆设计进一步提高微型超构透镜的聚焦效率；也可利用超构透镜对波长和偏振的灵活控制，在此研究基础上，实现紧凑式第三代多色/偏振红外探测器，极大地拓展其应用场景。
