近日，我校化学与分子工程学院朱为宏教授、吴永真教授和物理学院郑致刚教授在圆偏振光探测器设计方面取得突破性进展，相关成果以“High-performance integrated circularly polarized light detection using soft helix decorated perovskite diodes”为题在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton 发表研究论文。
圆偏振光（CPL）在光量子通信、偏振成像和信息加密等领域中起着重要作用，CPL探测是推动手性光学发展、拓展成像应用的关键核心。传统的CPL检测方式依赖于四分之一波片、线偏振片以及光功率计等光学元件的组合，对器件微型化与集成化造成极大挑战。基于手性半导体的薄膜光电探测器（CPL-PDs）是实现集成化CPL探测的可行途径之一，但现有手性半导体圆二色性相对较弱，器件通常表现出较低的光电流各向异性因子（gph值小于0.1），这限制了其区分左旋和右旋CPL的能力。同时，该类CPL-PDs在面对单光束、未知偏振状态的光源时，无法提供圆偏振方向和椭圆率等有效的偏振信息，难以满足实际探测应用。因此，如何获得兼具高圆偏振区分度和集成度的CPL光电探测器仍然面临巨大挑战。
针对目前圆偏振光电探测器对圆偏振光探测能力低、难以集成等挑战，作者团队基于手性液晶和钙钛矿光电二极管开发了一种可微型化、可集成阵列的高性能圆偏振光电探测器（PeLC-PDs）。探测器在相同强度的左、右旋圆偏振光下光电流差异达到两个数量级，光电流的各向异性因子（gph）高达1.96，远超当前基于手性半导体的圆偏振光电探测器且gph非常接近理论上限2.0。将一对液晶旋性相反的器件组合，即可实现对任意偏振光的圆偏振方向及圆偏振度的准确探测；调控液晶的光子禁带可以实现整个可见光波段的圆偏振探测。基于左、右旋成对的器件构建了集成阵列，论证了圆偏振光成像的可行性。
图片说明：基于手性液晶和钙钛矿光电二极管开发可微型化、可集成阵列的高性能圆偏振光电探测器
左、右旋成对组合独特构型——基于手性液晶和钙钛矿光电二极管构建高性能圆偏振光探测器
将手性液晶（LCs）与钙钛矿光电二极管结合，通过手性液晶控制CPL透过，进入器件的光强度由钙钛矿光电二极管转换为电信号并读出，从而实现对左/右旋CPL的区分。钙钛矿-液晶光电二极管（PeLC-PD）表现出明显的光子禁带效应，且在带内的圆二色信号强度突破104 mdeg，比传统手性半导体高两个数量级，表明PeLC-PD具有非常优异的圆偏振区分能力。在1 mW cm-2的左/右旋CPL照射下，器件表现出高达1.96的gph值、294 mA W-1的响应度以及优异的工作稳定性，突破了基于传统手性半导体的CPL-PDs的gph值局限。
图片说明：圆偏振光探测器器件结构与探测性能
左、右旋成对组合构型（Paired PeLC-PD）定量探测任意圆偏振态，拓展探测波长范围及器件柔性化
构建左、右旋成对PeLC-PD结构器件，实现了对任意圆偏振态的定量探测。该器件由一对相反旋性的手性LC与两个钙钛矿光电二极管组成，利用手性LC层对不同偏振光的选择性反射与透射特性，结合二极管的差异化光电响应，通过电流差异计算获得圆偏振度（PI），该探测结果与Stokes参数S3保持高度一致。设计构建蓝、绿、红三光响应器件，在可见光全波段内均表现出极高的CPL区分能力（gph>1.9），还成功制备了性能优异的柔性PeLC-PD。
图片说明：左、右旋成对器件，实现任意圆偏振态定量探测
图片说明：探测波长范围和柔性器件拓展
器件集成阵列实现圆偏振成像
作者进一步利用成对PeLC-PD器件作为子像素，构建了4×4集成阵列，实现了圆偏振光成像。实验中设计了一束带有“LC”隐藏信息的矢量光束，其光斑具有空间正交的圆偏振态。通过旋转四分之一波片，实现对光束圆偏振态的动态调控，利用圆偏振片或PeLC-PDs阵列对光束进行成像。结果表明，PeLC-PDs阵列在无需额外光学元件的情况下，清晰捕捉了矢量光束中的“LC”图案，并准确还原了矢量光场的圆偏振信息，展示了该技术在量子信息处理、量子密码学以及下一代光通信系统中的巨大潜力。
图片说明：基于左、右旋成对集成阵列的圆偏振探测与成像
该研究工作主要由化学与分子工程学院博士生刘帅君在朱为宏院士、吴永真教授和郑致刚教授的共同指导下完成。此外，该研究工作还得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、上海市教委科研创新计划、上海市科技重大专项、上海扬帆计划、高校引进学科人才计划、上海市教育发展基金会、上海市教委“曙光计划”、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心及光控软物质科学中心等资金支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2024.100003
知识产权：宽波段圆偏振光探测器及其制备方法, 中国发明专利（公开号：CN117580379A）