受沙漠蚂蚁复眼启发，我国科学家为片上集成偏振成像系统提供新思路

近日，《科学进展》（Science Advances）杂志报道了中科院理化技术研究所李明珠研究员课题组在片上集成偏振光电探测器研究上取得的最新进展。研究团队创新性地开发了一种纳米压印限域结晶法（nanoimprinting crystallization），通过一步溶液法制备了面积为 12.79 mm × 12.79 mm且表面具有6400个四取向光栅阵列的钙钛矿单晶薄膜，实现了光调控功能的微纳光学结构与光电敏感材料的一体化，并且成功构筑了可单次拍摄的超薄偏振探测器件。该偏振光电探测器是一种紧凑型片上光电器件，无需偏振光学元件，可成功应用于视觉去雾、聚合物应力可视化以及组织中癌变区域的检测等领域。该工作为开发单次拍摄的高灵敏、小型化和片上集成偏振成像系统提供了新思路（Sci. Adv. 2024，10, eadr5375 ）。

偏振成像具有探测维度多，精度高，对比度高，去雾、去伪、去反光，环境适应性强等优点，被应用于遥感成像、目标识别和机器视觉等领域。国家航天局发布的《2021中国的航天》白皮书中指出，嫦娥系列月球探测器、天文一号火星探测器为代表的航天测控任务，对高精度、多维度的偏振载荷技术提出了需求。全国气象发展十四五规划中，中国气象局同样提出了对多偏振探测的需求。2024年2月，Science新闻报道：美国宇航局将耗资数十亿美元研发高精度偏振成像探测器，用以观测海洋生物景观。因此，偏振成像探测在航空航天、气象探测等领域起着不可或缺的作用。

目前，商用偏振成像系统通常由多种光学元件组成，复杂笨重且难以小型化。市场对于小型化集成化偏振探测系统的需求日益提高。高度集成、设计简化、低成本且无需偏振光学组件的高灵敏单次拍摄的偏振探测器件的设计与制备，成为人们关注的重点 。

沙漠蚂蚁Cataglyphis可以在沙漠中行走几百米寻找食物，然后直线返回巢穴，而不会迷路，这是因为其复眼的感光细胞具有偏振光感知能力。感光细胞中存在两组相互垂直的微绒毛，这使得其对入射光的偏振方向敏感（图1A-C）。受沙蚁复眼启发，李明珠课题组利用纳米压印辅助的一步溶液结晶法（nanoimprinting crystallization）制备了表面具有6400个四向光栅阵列的钙钛矿单晶薄膜（4D-G-PSCTF）（图1D）。由于偏振敏感结构是在钙钛矿的原位结晶过程中形成的，因此不会损伤材料光电性能，最终可以获得四向光栅阵列和薄膜一体化的高性能钙钛矿单晶薄膜（图1E-H）。基于4D-G-PSCTF，该课题组设计并构筑了一个无需其他标准偏振光学元件的单次拍摄的片上集成偏振光电探测器，并实现了高灵敏的偏振成像（图1I）。

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图1.受沙漠蚂蚁复眼启发的用于单次拍摄偏振成像的片上集成偏振探测器

片上集成偏振探测器件可以对已知偏振角和偏振度进行精准探测（对偏振角和偏振度的探测准确度分别为±1.2°和 ± 0.1），因此能够应用于仿生偏振导航和偏振成像（图2A-C）。该工作设计了不同的应用场景来展示片上集成偏振探测器件的偏振成像性能（图2D）。在雾场景中，通过普通光学成像是看不到清晰图案的，而片上集成偏振探测器件能够在雾场景中实现清晰的图像复原。此外，片上集成偏振探测器件能够获取清晰的指纹，观测到塑料尺中的应力分布，实现无需染色的组织癌变区域检测。

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图2.仿生片上集成偏振探测器在导航和偏振成像的应用

该工作提出的纳米压印限域结晶法为制备具有高光电性能的图案化钙钛矿单晶薄膜提供了一种新颖且通用的解决方案，基于此构筑的仿生单次拍摄的偏振光电探测器是一种简单、经济高效的高灵敏度偏振成像系统，该设计理念为偏振成像系统的高灵敏、小型化和片上集成提供途径。

该工作是中国科学院理化技术研究所李明珠研究员团队在利用纳米压印限域结晶法制备仿生图案化光电器件的最新进展之一。在过去的几年里，该团队利用纳米压印限域结晶法构筑了系列具有仿生微纳结构的钙钛矿薄膜，构筑了高效彩色太阳能电池，除此之外，该团队还利用纳米压印限域结晶法制备了表面图案化钙钛矿单晶微板定向激光器，实现了具有定向发射特性的钙钛矿WGM激光器。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr5375