电可调非致冷红外探测原理

传统的红外光谱成像技术能够提供丰富的光谱信息,应用广泛,但该技术同时也存在一定局限性,如很难同步实现探测器小型化和探测波段实时调节等方面的要求。本文提出了一种基于电可调表面等离子体谐振吸收的新型红外探测器结构。基于电磁场理论分析了结构参数对红外光学吸收的影响,并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到90%以上。分析了不同栅压下,VOx热敏层中载流子的浓度分布和折射率变化情况,结果显示这种器件具有显著的电可调红外光谱吸收特性。本文研究在非制冷微测辐射热计探测器上使用电可调功能,使之具有片上可调光谱探测能力,同时易于阵列化,为微小型可配置光谱成像探测器件提供了一条思路。     

新型红外探测器可动薄膜微腔的腐蚀工艺研究

基于气体直接吸收机理、微机械技术实现的气动红外探测器是对中远波段实现室温探测的新型红外探测器。该探测器的关键结构———微气腔和可动薄膜的腐蚀工艺研究对整个器件的制作有重要意义。根据探测器结构提出了对腐蚀工艺的要求,采用EPW湿法腐蚀的工艺,通过实验研究器件结构制作的最佳腐蚀条件和腐蚀速度,保证了工艺的可控性和器件结构的质量。     

PbS/并五苯场效应晶体管红外光电探测器

合成了尺寸均匀、分散性好,且吸收峰在近红外光谱区的硫化铅(PbS)量子点(QDs),并将其作为红外光吸收源与易于成膜且电学性能优良的有机化合物并五苯(Pentacene)相结合,形成量子点/并五苯复合薄膜作为有源层,采用顶栅底接触型水平场效应晶体管(FET)结构制备了红外光电探测器Au(S,D)/PbS QDs/Pentacene/PMMA/Al(G)。测试了暗态和980 nm波长激光照射下器件的电学参数和探测参数;探究了器件中载流子的传输机制;得到了电学和探测性能优良的PbS量子点/并五苯复合薄膜FET红外光电探测器,在辐照度为0.1 mW/cm2的红外激光照射下,器件的响应度达到49.4 mA/W,对应探测率为1.7×1011 Jones。     

基于空间调制和单元器件的短波红外光谱探测

目前近红外波段的光谱探测在各个领域已经得到广泛应用[1],但在短波红外波段,由于受焦平面红外探测器发展水平的限制,短波红外波段光谱探测还存在难以消除非均匀性以及分辨率高时信噪比不足的缺点.本文从理论上分析了基于空间光调制器和单元探测器的多通道探测方法的信噪比优势,并利用基于Hadamard变换的空间光调制光谱探测方法,成功进行了单元探测器获取多谱段信息的模拟实验,从而提出一种可以减少短波红外光谱探测对焦平面器件的依赖的制备红外光谱探测仪的新思路,并证明了这种方法的可行性.     

基于人工微结构的光谱选择性红外热敏探测器

红外热敏探测器不管是在军事还是在民用领域都有着非常重要的应用。传统的红外热敏探测器主要采用宽光谱吸收的方式,这虽然赋予了器件宽带响应的特点,但同时也会因为引入了不必要的辐射热导而增加本底噪声,从而限制了器件的探测性能极限。研究表明,具有窄带选择性吸收的热敏探测器在特定的条件下可以突破这一极限。经过精心设计的人工微纳结构不但可以实现波长选择性吸收来降低器件的辐射热导,而且由于其具有亚波长特性,还可以大大降低器件的热容,从而为实现高性能的红外热敏探测器提供了可能性。本文在简单介绍红外探测器基本概念的基础上,聚焦测辐射热计、温差电偶和热释电探测器件,回顾总结基于人工微结构体系的光谱选择性红外热敏探测器的相关研究进展。     

宽带隙二维半导体TlGaS2紫外探测器

紫外光电探测器是继红外激光探测技术之后发展起来的一种新型探测技术。其中基于宽带隙的低维半导体材料的紫外光电探测器是当下的研究热点之一。为了实现对宽带隙二维材料体系的拓宽以及高性能紫外探测器的研制，研究了机械剥离的铊镓硫(TlGaS₂)纳米片的能带结构以及光谱性质，制作了基于TlGaS₂纳米片的紫外光电探测器。结果显示，TlGaS₂纳米片在紫外乃至日盲紫外波段均具有较高的吸收。探测器响应波段与光学吸收结果一致，对360 nm的紫外信号具有最佳的探测性能。此外，探测器在响应范围内均表现出了很低的暗电流以及优异的光电响应速度。测试结果说明了TlGaS₂二维材料在紫外光电器件领域具有一定的研究前景和潜在的应用价值。     

一款多色叠层量子阱红外探测器的读出电路设计

一款完整的红外焦平面探测器主要包含探测器件、读出电路、封装结构和制冷组件。目前根据不同应用场景,探测波段范围不断变宽、探测灵敏度需求提高、成像速度要求加快,对探测器设计提出了更严格、更复杂的指标要求。其中,读出电路将探测光信号转换为电信号传输至系统,是探测器组件的关键核心模块。本文设计了一款对应多色叠层量子阱型器件的红外焦平面探测器读出电路,能够实现同时间、同空间对四波段信号进行探测,并且同时读出,四波段信号的探测积分与读出之间没有互相干扰。探测器规格640×512,像元间距50μm(四波段),各波段信号可实现分时积分、分别可调,采用边积分边读出工作模式,读出帧频可达到四波段探测时≥50 Hz,电路噪声≤05mV,动态范围≥70dB,电功耗≤600mW,是一款超大规模低噪声高帧频的高性能读出电路。     

高增益红外单光子探测技术研究进展（特邀）

超灵敏单光子探测是光量子信息和量子调控领域发展的关键技术,实现高效率、超灵敏、低功耗以及低成本的单光子探测具有重要的科学意义和应用价值。与可见光波段的Si基单光子探测器相比,红外响应单光子探测器目前在成本和性能方面都存在较大差距,探索基于新材料和新机制的红外单光子探测技术是光电探测领域发展的迫切需求。近年来,低维材料由于其独特的物化性质,为研制高增益、室温工作和宽波段响应的探测器提供了新的可能,高性能低维材料光电探测技术也成为了当前红外探测领域的研究热点。文中首先回顾了传统雪崩类半导体红外光电探测器的基本原理,在此基础上,介绍了基于新型低维材料的雪崩机制光电探测技术的最新进展,之后讨论了光诱导栅压效应型光电探测器件的新型光增益放大机制,并描述了在该工作机制下相关低维材料红外探测器的基本结构和性能表现。最后展望了高增益红外单光子探测技术的未来发展方向和面临的挑战。     

基于光热载流子调控的二维材料红外与太赫兹探测器研究进展

红外和太赫兹具有非常广阔的应用前景,在光谱学、成像、无线通信和遥感等领域发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外、太赫兹波段的光子能量低,相关的探测遇到很大困难,所以实现高灵敏、高速和高稳定性的红外太赫兹探测是一个具有挑战性的工作。二维材料由于其高迁移率、带隙可调和表面悬挂键少等特点为红外太赫兹探测提供了新的机遇。基于光热载流子调控的二维材料红外、太赫兹探测器的发展方兴未艾。文中主要介绍了目前基于光热载流子调控的红外、太赫兹探测器的最新研究进展,将从材料、器件结构、响应波段和响应机理等方面展开。     

微机械气动红外探测器的计算机仿真

介绍了一种可工作于室温环境下的微型气动式红外探测器，它基于气体介质吸收特定波段的红外辐射后以无辐射气动方式激励并产生一系列热效应的物理基础，可获得包含红外辐射源信息的信号。建立了符合器件工作模式的有限元模型，采用流体-热-结构耦合方法分析了器件的机械行为以及气体介质的温度场分布，模拟并讨论了不同结构参数对器件性能的影响，为采用MEMS技术研制具有波长选择特性的非致冷气动式红外探测器提供了理论基础。     

数字化红外焦平面探测器光谱响应测试系统研究

针对目前没有设备可对数字化红外探测器的光谱响应进行测试,利用可测模拟电平输出型红外探测器光谱的傅里叶光谱仪,研制了一块电路板装置,实现了将数字化红外探测器转换为与模拟红外探测器一样的输出形式,解决了数字化红外探测器光谱无法测试的问题,且具有结构简单、一板多用等特点,可在不同型号的傅里叶光谱仪上使用。该方式成本低且易实现,不仅操作简单,而且测试性能稳定,适应于各种形式的数字化探测器,使得数字化红外光谱响应测试系统具有更高的兼容性和灵活性。首先对红外光谱响应测试系统进行了介绍,然后对所研制的模数电路板装置进行了原理分析,最后对此电路板进行了硬件实现,并编写了内部测试程序,进而完成了功能验证。理论分析和硬件功能验证表明,带有新研制模数电路板装置后的红外光谱测试系统不仅可以实现不同位宽输出的数字化面阵探测器或线列探测器光谱测试,而且光谱测试结果准确可靠。     

红外成像系统响应光谱非均匀性的理论分析

基于黑体标定的非均匀性校正方法在凝视红外成像系统中被广泛应用,但在面对天空背景成像或者高速飞行器上透过高温光学窗口观察常温目标两种情况下,出现了黑体标定不适用的现象。为此通过分析红外成像系统的响应特性,提出了响应光谱非均匀性的概念,指出了黑体标定法具有场景光谱分布依赖的特征。同时,分析了响应光谱非均匀性产生的原理,包括内外两方面原因。内在因素是红外探测器不同像元的量子效率随光谱变化存在差异,外在因素是应用场景的辐射光谱分布与黑体相差较大。在此基础上,给出了解决响应光谱非均匀性的建议。     

基于金属/介质/金属光栅的窄带红外发射/吸收结构设计

设计了一种用于窄带红外发射光源和窄带探测器的金属/介质/金属光栅的红外发射/吸收结构.采用有限差分时域(FDTD)方法,模拟了一维Ag/Si3N4/Ag光栅的反射谱.模拟结果表明,此结构对于TE模和TM模都支持很窄的中红外发射/吸收锋,在很宽的角度范围内发射/吸收中心波长处的发射率可以达到98%以上.此结构的独特发射/...     

一种多谱段红外成像光学系统设计

为提高红外远程目标探测识别能力,除了增加焦距和有效口径等传统措施,还需要进一步获取目标的多谱段信息,从而将具备不同辐射特性的目标和背景区别开。本文提出了一种采用多谱段分区红外探测器和棱镜旋转像移成像光学系统,将同一目标的红外辐射能量会聚到探测器不同谱段区域进行成像,从而获取同一目标的多谱段成像信息。该系统采用同轴反射式光学系统,具备8个不同谱段分区的两支红外探测器,通过棱镜旋转实现同一目标的8个谱段信息获取。系统焦距520 mm,有效口径200 mm, F数为2.6。光学系统结构紧凑,棱镜旋转与探测器成像实时对应,不存在成像延迟和像旋,具有口径大、焦距长、谱段多等特点,满足系统高分辨率、长作用距离、多谱段信息获取等要求。     

offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计

为了适应不同视场光谱仪的应用需求,设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦,同时采用光栅型offner同心结构进行光谱分光及成像,系统工作波段为3~5 m,选用制冷型红外探测器,系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算,并应用zemax软件对各子系统进行优化,使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限,点列斑均方根半径均小于一个像元大小,设计的结果显示系统结构简单,在各个焦距位置及各谱段下,像质均满足了设计指标要求,成像质量良好。     

The use of multiple internal reflection on extrinsic silicon infrared detection

The sensitivity of a silicon extrinsic infrared detector is enhanced by increasing the absorption path by multiple internal reflection utilizing V-grooves on a [100]-oriented silicon wafer for light coupling. Planar detectors were fabricated with gold-doped silicon as a prototype study, in which the spectral response, the influences of temperature, and the photoconductive detector quantum efficiency were characterized. The result indicates that the peak of the photoconductive spectrum is located at 0.9 eV, which is equal to 1.67 times the threshold for extrinsic photoconduction, as generally expected from the theoretical calculations.     

Detailed study of above bandgap optical absorption in HgCdTe

HgCdTe remains the material of choice for high-performance infrared (IR) detectors due to its tunable direct bandgap energy corresponding to the IR spectral region, and the advancement of HgCdTe materials growth and processing technologies. Accurate knowledge of the HgCdTe optical absorption coefficient is important for IR detector design, layer screening, and device analysis. The spectral response for IR detectors is dependent on optical absorption above the bandgap energy, where much of the study of absorption coefficient in HgCdTe has focused on the bandtail region. In this work, the optical absorption coefficient was studied by theoretical bandstructure calculations and experimental measurements on HgCdTe layers using techniques of IR spectroscopic ellipsometry and IR transmission. The theoretical and experimental results suggest that the absorption coefficient between 600 cm⁻¹ and 5,000 cm⁻¹ is related to energy relative to bandgap with a fractional exponent between 0.6 and 1, rather than the previously used expressions relating to a parabolic or hyperbolic bandstructure. The fitting parameters for Hg_1-xCd_xTe with x=0.22–0.60 are presented to develop a model for the optical absorption coefficient spectra. The calculated detector spectral response using the new and previously reported absorption coefficient models suggests that next generation IR detectors employing multilayer structures with graded compositional profiles will likely benefit from this new model.     

拼接红外探测器技术研究

红外探测器作为空间红外预警卫星的核心部件,随着红外探测器性能的不断提升,采用更大规模,更多谱段的红外探测器焦平面阵列是未来预警用红外探测器的发展趋势。通过多芯片,多谱段集成拼接制备出线列规模更长的红外探测器,以满足红外预警卫星大视场、高分辨率以及多光谱探测的能力。本文对国内外多芯片,多谱段拼接红外探测器组件发展现状以及技术路线进行对比,对小型化拼接探测器在其他领域的使用前景展望,最后点出大尺寸拼接红外探测器研制目前存在的主要问题。     

基于InSb的新型红外探测器材料（特邀）

InSb单晶是制备工作于中波红外大气窗口（3~5 μm）光子型探测器的典型光电转换材料,采用该单晶材料所制备的InSb红外探测器以高性能、大规格像元阵列、高稳定性和相对低成本为特点,广泛应用于军用红外系统和高端民用红外系统领域。然而,InSb 红外探测器响应波长范围固定不可调节、响应仅限于短中波红外而对长波红外无响应、相对有限的载流子寿命制约器件高温工作性能等固有特点,限制了该型探测器在工程中的广泛应用。文中系统地介绍了基于InSb材料人们为改进上述不足所开展的新型材料及其光电响应方面的研究结果。这些材料主要包括:采用合金化方法改变InSb组分形成新型多元合金材料、采用量子结构形成新型低维探测材料。对于新型合金材料,介绍了材料的合金相图、带隙与合金组分的关系、带隙的温度关联特性,并给出采用该材料制备器件的典型光电性能;对于量子结构材料,介绍了材料的制备方法、带隙与量子尺寸的关系,以及采用该材料制备原型器件的典型光响应特性。最后,对新型InSb基红外探测材料与器件的发展趋势、关键问题、研究重点进行了探讨。