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    什么是紅外探測新技術(shù)——量子級聯(lián)探測器?

    儀表科普 2017年08月02日 13:28:05來源:上海物理技術(shù)研所 27273
    摘要光本質(zhì)是電磁波,人類肉眼可感知的電磁波被稱為可見光,也就是紅橙黃綠青藍(lán)紫這七種顏色。可見光僅為整個(gè)電磁波譜中很小的一部分。

      【儀表網(wǎng) 儀表科普】光的本質(zhì)是電磁波,人類肉眼可感知的電磁波被稱為可見光,也就是紅橙黃綠青藍(lán)紫這七種顏色。可見光僅為整個(gè)電磁波譜中很小的一部分。
     

     
      那么,紅橙黃綠青藍(lán)紫的紅色之前是什么顏色呢?紫色之后又是什么顏色呢?人類無法直接感知可見光之外的電磁波,所以這兩個(gè)區(qū)域的顏色是肉眼看不到的。就好像空氣,我們看不到并不代表它不存在。所以要感知可見光之外的其他電磁波,必須借助外界手段如光電探測器來實(shí)現(xiàn)。
     
      紅外光,也被稱為紅外線,是英國科學(xué)家赫歇爾于1800年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的。它是波長比紅光更長的電磁波,具有明顯的熱效應(yīng),使人能感覺到而看不見。專業(yè)術(shù)語如是說——所有溫度高于零度的物體,均存在紅外輻射。通俗來講就是,目前我們能夠接觸到的物體都在源源不斷的向外發(fā)射紅外光。所以,我們可以通過紅外探測的手段來觀察物體,紅外探測技術(shù)通常可用于夜視、醫(yī)療、氣體檢測、天文探測等。
     
      紅外探測器是一種對于紅外輻射進(jìn)行高靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件。早期的紅外探測基于紅外輻射的熱效應(yīng),也就是紅外光的照射使得探測器溫度升高,溫度的變化使紅外探測器的物理參數(shù)發(fā)生改變,據(jù)此判斷紅外光的強(qiáng)弱。由于這種方法基于溫度的變化,而溫度變化是一個(gè)緩慢的過程,所以這種基于熱效應(yīng)的紅外探測器的感知速度比較慢。
     

     
    量子級聯(lián)探測器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方式
     
      現(xiàn)代的紅外探測器大多是基于光電效應(yīng)而設(shè)計(jì)的,十分類似于可見光波段的CCD或者CMOS探測器,也就是廣泛用于相機(jī)中的感光部件,差別僅僅是紅外探測器中的光電轉(zhuǎn)換像元是由能夠感受紅外光波的光電材料制成。由于光具有波粒二象性,常可將光波稱為光子。光子可直接作用于紅外探測器中的電子,使得紅外探測器輸出的電流或電壓發(fā)生直接的變化,通過對這種變化進(jìn)行測試,可根據(jù)其轉(zhuǎn)化效率直接推算得到入射光的強(qiáng)度。這種方法基于光電效應(yīng),避開了溫度變化的過程,所以光電探測器的反應(yīng)速度更迅捷。
     
      量子級聯(lián)探測器(quantum cascade detector, QCD)是一種新型的光電探測器,于21世紀(jì)初被提出,是一種人工結(jié)構(gòu)的晶體材料。量子級聯(lián)探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料交替生長而成,通過能帶工程將材料的導(dǎo)帶設(shè)計(jì)成量子阱結(jié)構(gòu),其探測波長主要受到勢壘高度的限制,可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個(gè)比方,勢壘就好比一堵墻,量子阱就好比墻與墻之間的平地。通過調(diào)整墻的厚度、墻的高度以及墻與墻之間的距離,可以使墻之間存在各式各樣的能級分布。根據(jù)量子力學(xué)原理,能級會被束縛在墻與墻之間,不會高于墻頭。
     
      量子級聯(lián)探測器的能級分布如上圖所示,其結(jié)構(gòu)可大體分為兩部分,吸收區(qū)與輸運(yùn)區(qū)。吸收區(qū)負(fù)責(zé)光子的吸收,吸收一個(gè)入射光子的同時(shí),激發(fā)一個(gè)電子;輸運(yùn)區(qū)負(fù)責(zé)使這個(gè)電子定向移動。上圖的吸收區(qū)中,一個(gè)入射的光子可以將E1能級上的電子提高至E6能級,然后輸運(yùn)區(qū)的能級設(shè)計(jì)成下臺階的樣式,使該電子能夠定向移動。這個(gè)爬上去又滑下來的光電過程是不是有點(diǎn)似曾相識?沒錯(cuò),與大家都玩過的滑梯有異曲同工之妙!這種多個(gè)量子能級聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級聯(lián)”。此時(shí)有人或許要問,能級不是被限制在兩個(gè)“墻”之間的嗎?那么電子又怎么能夠“穿墻而過”的呢?這里又牽涉到量子力學(xué)中的一個(gè)有趣的概念:量子隧穿效應(yīng)。用量子力學(xué)的觀點(diǎn)來看,電子具有波動性,所以電子是有一定概率直接“穿墻而過”的,這在經(jīng)典物理學(xué)中是不可思議的,但在量子力學(xué)中卻實(shí)實(shí)在在的發(fā)生著,這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。并且在某些特定條件下,電子的“穿墻”概率能接近100%。
     
      量子級聯(lián)探測器這種不對稱的結(jié)構(gòu),使其表現(xiàn)出光伏特性,可使光激發(fā)的電子自發(fā)地單向輸運(yùn),不需要借助其他外力比如外加電場。這種光伏特性使得光電信號的輸出與采集更為便捷。無外加電場時(shí),量子級聯(lián)探測器在無光照條件下不會產(chǎn)生電流(無暗電流),僅在有光子入射的情況下,才會輸出純凈的光電流。所以量子級聯(lián)探測器功耗低、發(fā)熱量低、熱負(fù)載小,可用于制備低能耗的成像芯片焦平面陣列。
     

     
      基于種種優(yōu)點(diǎn),量子級聯(lián)探測器成為微光探測、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通信以及高對比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中前景的紅外探測器件。
     
      目前,中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究團(tuán)隊(duì)在上研制了量子級聯(lián)探測器紅外焦平面陣列,該探測器基于GaAs/AlGaAs材料,峰值探測波長為8.5微米,位于長波紅外波段,面陣規(guī)模達(dá)到320×256(81920像素),并初步進(jìn)行了紅外成像實(shí)驗(yàn)。
     
      (原標(biāo)題:紅外探測新技術(shù)——量子級聯(lián)探測器)

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