西澳大利亞大學(xué)研究人員利用基于MEMS的固定腔法布里-珀羅（F-P）干涉儀實(shí)現(xiàn)了在長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段的光學(xué)遙控成像和傳感，并完成了該光譜系統(tǒng)的輕型化和便攜式。
F-P干涉儀基于鍺 (Ge) 氟化鋇 (BaF2) 薄膜分布式布拉格反射器。研究人員之所以選擇BaF2，是因?yàn)樗贚WIR波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出低折射率并可提供高折射率對(duì)比度，有利于提高器件的性能。該干涉儀具有與薄膜、表面微加工 MEMS兼容的架構(gòu)。當(dāng)與單點(diǎn)紅外探測(cè)器或焦平面成像陣列結(jié)合使用時(shí)，可用于開發(fā)輕便的便攜式光譜儀。
據(jù)研究人員稱，這是首次實(shí)現(xiàn)將低指數(shù)的BaF2薄膜與的高指數(shù)Ge薄膜相結(jié)合來構(gòu)建干涉儀。該團(tuán)隊(duì)使用三層Ge/BaF2/Ge光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)建了扁平、獨(dú)立的分布式布拉格反射器。在10到20nm范圍內(nèi)，跨越數(shù)百微米的空間尺寸，獨(dú)立結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了峰間平坦度。
基于MEMS的LWIR固定腔F-P干涉儀的三維分解圖
實(shí)驗(yàn)表明，所制備的F-P干涉儀線寬約為110nm，峰值透過率約為50%，滿足可調(diào)諧、基于MEMS的LWIR光譜傳感和成像這些需要窄線寬的光譜分辨應(yīng)用的要求。
α-系列F-P干涉儀的光學(xué)顯微圖像，裂紋從切口的尖角處擴(kuò)展是由于長(zhǎng)期暴露在氧等離子體中所致
研究人員對(duì)固定氣腔濾光片進(jìn)行了表征，并將測(cè)量的光學(xué)性能與建模結(jié)果和先前研究的結(jié)果進(jìn)行了比較。在考慮到制造缺陷對(duì)分布式布拉格反射器的影響后，他們發(fā)現(xiàn)F-P干涉儀的測(cè)量光學(xué)特性與模擬的光學(xué)響應(yīng)非常吻合。
LWIR范圍內(nèi)（8到12μm）的高性能波長(zhǎng)分辨足以滿足民用和軍用需求。由于紅外光譜波段的輻射是由物體根據(jù)其溫度發(fā)射的，因此具有光譜選擇性的片上全被動(dòng)熱成像可用于遠(yuǎn)程目標(biāo)識(shí)別，而無需任何照明光源。
迄今為止，在LWIR范圍內(nèi)，基于MEMS窄帶F-P干涉儀的發(fā)展一直受到制造工藝和缺乏合適的光機(jī)械材料的限制。硅基低折射率材料由于吸收損失大，不適合LWIR范圍。研究人員表示，該芯片上的顯微光譜儀技術(shù)可以在多種需要機(jī)械穩(wěn)健性的應(yīng)用中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)部署，如機(jī)器人車輛、無人駕駛飛行器等。遙感LWIR成像和光譜傳感可能與目標(biāo)識(shí)別和空間態(tài)勢(shì)感知方面具有特殊的相關(guān)性。
Mariusz Martyniuk教授表示：“這些微型化的片上、輕型和小尺寸設(shè)備被視為未來用于簡(jiǎn)單和低成本的微型光譜遠(yuǎn)程系統(tǒng)的解決方案，而面向熱紅外發(fā)射波段，輕量化、小尺寸和低功率等需求均至關(guān)重要。”
該研究以“Large-area narrowband Fabry–Pérot interferometers for long-wavelength infrared spectral sensing”為題發(fā)表于Journal of Optical Microsystems。
論文鏈接為：www.doi.org/10.1117/1.JOM.2.2.023502
