红外探测新技术——量子级联探测器
2017/8/11 科学大院

    

    点击上方“科学大院” 可以订阅哦!作者：李梁(中国科学院上海技术物理研究所)

     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。但是，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。

     就好像空气，我们看不到并不代表它不存在。所以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。

    

     电磁波谱

     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。

     今天我们就一起聊聊红外光和红外光的探测。

     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。

    

     英国科学家赫歇尔

     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。

     专业术语如是说——所有温度高于绝对零度的物体，均存在红外辐射。

     通俗来讲就是，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。

    

     红外探测技术用于夜视、人体皮肤温度分析以及地球气象观测

     早期红外探测器的感知速度慢

     红外探测器是一种对红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件。

     早期的红外探测基于红外辐射的热效应，也就是红外光的照射使得探测器温度升高，温度的变化使红外探测器的物理参数发生改变，据此判断红外光的强弱。

     由于这种方法基于温度的变化，而温度变化是一个缓慢的过程，所以这种基于热效应的红外探测器的感知速度比较慢。

     现代红外探测器速度更快捷

     现代的红外探测器大多是基于光电效应而设计的，十分类似于可见光波段的CCD或者CMOS探测器，也就是广泛用于相机中的感光部件，差别仅仅在于，红外探测器中的光电转换像元是由能够感受红外光波的光电材料制成。

     由于光具有波粒二象性，常可将光波称为光子。光子可直接作用于红外探测器中的电子，使得红外探测器输出的电流或电压发生直接的变化，通过对这种变化进行测试，可根据其转化效率直接推算得到入射光的强度。这种方法基于光电效应，避开了温度变化的过程，所以光电探测器的反应速度更迅捷。

     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。

     有没有更好的红外探测器？

     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。

    

     量子级联探测器红外焦平面阵列对电烙铁的红外成像

    

     常规相机对电烙铁的成像

     上图是烧热的电烙铁的红外成像与可见光成像。

     从红外成像可明显看出电烙铁被烧热，其红外辐射明显，头部很亮而根部稍暗；而可见光成像基本分辨不出电烙铁各部位有何不同。

     量子级联探测器(quantum cascade detector, QCD)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。

     玩滑梯一样的“量子级联”

     量子级联探测器通常由两种禁带宽度不同的半导体材料交替生长而成，通过能带工程将材料的导带设计成量子阱结构，其探测波长主要受到势垒高度的限制，可覆盖红外与太赫兹波段。

     打个比方，势垒就好比一堵墙，量子阱就好比墙与墙之间的平地。通过调整墙的厚度、墙的高度以及墙与墙之间的距离，可以使墙之间存在各式各样的能级分布。

     根据量子力学原理，能级会被束缚在墙与墙之间，不会高于墙头。

    

     量子级联探测器的能带结构和工作方式

     量子级联探测器的能级分布如上图所示，其结构可大体分为两部分，吸收区与输运区。

     吸收区负责光子的吸收，吸收一个入射光子的同时，激发一个电子；输运区则负责使这个电子定向移动。

     在上图的吸收区中，一个入射的光子可以将E₁能级上的电子提高至E₆能级，然后输运区的能级被设计成下台阶的样式，使该电子能够定向移动。

     这个爬上去又滑下来的光电过程是不是有点似曾相识？

     没错，与大家都玩过的滑梯有异曲同工之妙!

     这种多个量子能级联合组成的体系就被称为“量子级联”。

     量子级联探测器好在哪？

     此时有人或许要问，能级不是被限制在两个“墙”之间的吗？那么电子又怎么能够“穿墙而过”的呢？

     这里又牵涉到量子力学中的一个有趣的概念：量子隧穿效应。用量子力学的观点来看，电子具有波动性，所以电子是有一定概率直接“穿墙而过”的，这在经典物理学中，被认为是不可思议的，但在量子力学中，却实实在在的发生着，这种现象被称为量子隧穿效应。

     而且，在某些特定条件下，电子的“穿墙”概率能接近100%。

     量子级联探测器这种不对称的结构，使其表现出光伏特性，可以在不借助其他外力比如外加电场的力量下，使光激发的电子自发地单向输运。这种光伏特性使得光电信号的输出与采集更为便捷。

     无外加电场时，量子级联探测器在无光照条件下不会产生电流(无暗电流)，仅在有光子入射的情况下，才会输出纯净的光电流。所以量子级联探测器功耗低、发热量低、热负载小，可用于制备低能耗的成像芯片焦平面阵列。

     基于以上种种优点，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。

     (文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)

    

     大院热门文章top榜

     点击文章标题，可直接阅读哦~

     1、夏天来了，如何科学地防晒？

     2、雨后空气中有泥土味？知道真相的我……

     3、“泥巴”住进博物馆，需要几步？

     4、全球导航卫星是如何拯救“路痴”的？

     5、地球已经被太空垃圾覆盖了？

     6、X射线真的会影响我们的健康吗？

     7、说出来你可能不信，牡丹最初是靠才华吃饭的……

     8、我们的核废料该去哪？

     9、地球上最早的动物，究竟有多早？

     10、天灾or人祸？太湖水危机，你真的了解吗

    

     科学大院

     ID：kexuedayuan

     从此，爱上科学~

     长按二维码，即刻关注

    

     转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn

    http://weixin.100md.com
返回 科学大院 返回首页 返回百拇医药