红外探测新技术——量子级联探测器

作者: 李梁

来源: 科学大院

发布日期: 2017-08-11

本文介绍了红外探测技术的发展历程,特别是现代红外探测器的速度提升和量子级联探测器的创新应用。通过对比早期的热效应红外探测器和现代光电效应红外探测器,强调了量子级联探测器在探测速度、材料特性以及应用领域上的优势。

光的本质是电磁波,人类肉眼可感知的电磁波被称为可见光,也就是众所周知的红橙黄绿青蓝紫这七种颜色。可见光仅为整个电磁波谱中很小的一部分。太阳光可折射出七种颜色,那么红橙黄绿青蓝紫的红色之前是什么颜色呢?紫色之后又是什么颜色呢?人类无法直接感知可见光之外的电磁波,所以这两个区域的颜色是肉眼看不到的。要感知可见光之外的其他电磁波,必须借助外界手段,如光电探测器来实现。

根据电磁波谱可知,可见光从紫色向外延伸,依次为紫外光、X射线、γ射线,其射线的能量依次增强。紫外光常用于消毒,医院中较为常见;X射线常用于医疗领域;γ射线能量更高,可用作“伽马刀”。可见光从红色向外延伸依次为红外光、微波、无线电、以及长波无线电,其远距离传播的能力依次增强。红外探测可用于夜视;微波可用于无线通信以及微波炉;无线电较为常用,收音机就是很好的无线电接收设备。

红外光,也被称为红外线,是英国科学家赫歇尔于1800年在实验室中发现的。它是波长比红光更长的电磁波,具有明显的热效应,使人能感觉到而看不见。所有温度高于绝对零度的物体,均存在红外辐射。目前我们能够接触到的物体都在源源不断的向外发射红外光。所以,我们可以通过红外探测的手段来观察物体,红外探测技术通常可用于夜视、医疗、气象、天文探测等。

早期的红外探测器的感知速度慢,现代的红外探测器速度更快捷。目前,较成熟的光电型红外探测器应数“碲镉汞”红外探测器,碲镉汞是一种三元化合物材料,该探测器的探测灵敏度高、工作温度高,但这种材料既软且脆、易碎。每种红外探测器都有其优点与局限性,所以科学家们仍在致力于寻求更优的设计。

目前,中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究团队在国际上首次研制了量子级联探测器红外焦平面阵列,该探测器基于GaAs/AlGaAs材料,峰值探测波长为8.5微米,位于长波红外波段,面阵规模达到320×256(81920像素),并初步进行了红外成像实验。量子级联探测器是一种新型的光电探测器,于21世纪初由中国的陆卫研究员首次提出,是一种人工结构的晶体材料。它是一种基于光电效应的探测器,探测速度较快。

其基于一种非对称的结构设计,使得被光激发的电子可以在这种非对称结构中自发地运动,形成光电信号。这种非对称结构可极大得简化与红外探测器相配套的制冷模块与供电模块。量子级联探测器已经成为微光探测、卫星遥感、星地高速激光通信以及高对比度红外成像等应用领域中极具前景的红外探测器件。

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