天文用阻挡杂质带红外探测器

低温目标红外辐射的灵敏探测和成像在航天和深空探测中具有重要的应用价值.300 K以下低温目标的辐射强度很弱,辐射特征波长位于中远红外区.阻挡杂质带红外探测器是中远红外探测器中重要的一员,具有覆盖波段宽、灵敏度高、暗电流低、抗辐射性能高等优点,能够胜任空间技术和天文探测在中远红外波段探测的苛刻要求.本文以红外天文探测对红外探测器的应用需求作为出发点,主要就国内外红外天文学、红外天文探测器发展概况,阻挡杂质带红外探测器发展历史及其材料、器件结构等方面做了简要综述,并简明扼要地介绍了阻挡杂质带探测器的器件物理模型.     

硅基阻挡杂质带红外探测材料与器件研究进展

红外探测在天文物理研究领域具有极其重要的应用前景,由于天文深空探测对象的特殊性,对红外探测器的性能要求十分苛刻.阻挡杂质带(BIB)红外探测器,因其具有响应波段宽、噪声低、灵敏度高以及抗辐射性能好等优点,在过去30年中发展成为国际上天文领域首选的红外探测器.BIB红外探测器的探测波长覆盖中红外到远红外波段,它的推广应用促进人类在天文深空探测领域取得了一系列重大的科学成果.我国在BIB红外探测器的研究起步较晚,近年来也取得了较大进展,但是与国际领先水平相比尚有较大差距.本文主要回顾、评述了过去5年多我国在BIB红外探测器领域的研究进展,对BIB红外探测材料及其相应BIB器件的制备工艺、物性表征和光电响应特性,以及表面等离激元对器件光电响应的调控等做了详尽介绍,为我国BIB红外探测器的发展提供参考和实验依据.     

阻挡杂质带甚长波红外探测器

阻挡杂质带(Blocked Impurity Band,BIB)探测器是从杂质带光电导(Impurity Band Conduction,IBC)探测器发展而来,利用杂质能级上的电子跃迁,可以探测光子能量远小于半导体禁带宽度的低能光子.BIB探测器的探测波长主要由衬底和掺杂杂质决定,可以覆盖5–300μm波段范围.得益于探测波长长、探测率高和抗辐射性好等优点,BIB探测器自问世以来就一直被大量研究,广泛应用于各种大型天文基红外探测平台上.目前,Si基BIB探测器发展迅速,但是Ge基和GaAs基BIB探测器的发展相对缓慢.BIB探测器对于推动天文和相关科学的发展具有不可替代的作用,欧美等发达国家在BIB探测器上的科研投入巨大.随着我国经济和科技的发展,我国科研人员急切盼望国产BIB探测器可以早日投入使用.本文主要针对BIB探测器物理模型、制备方法、测试手段和国内外发展现状等方面展开讨论,探究BIB探测器的主要工作机制以及器件研发的关键技术,帮助相关研究人员快速了解BIB探测器.     

斯皮策空间望远镜实现最大化科学产出

 2020年1月30日，美国主动关闭斯皮策空间望远镜。斯皮策空间望远镜已5次延寿、在轨运行超过16年，运用科学数据发表了超过9000篇科学论文，在宇宙红外观测、恒星和星系演化、系外行星证认等多个领域取得了重大发现。斯皮策空间望远镜在研制阶段采用了新颖的地球尾随日心轨道设计，当时最先进的大面阵红外探测器件；发射后科学目标紧扣空间天文观测新热点的系外行星及时调整，在3个焦面有效载荷仅剩1个红外阵列相机，且其4个波段仅存2个能正常工作的挑战下，任务运控团队和科学团队紧密协同，仍成功开展了长达10年的科学观测。空间科学先导专项部署了相关空间红外天文探测的预先研究，斯皮策任务的开放技术创新、科学目标与时俱进、协同一体化观测等实现科学产出最大化的系列实践值得借鉴。     

斯皮策空间望远镜实现最大化科学产出

 2020年1月30日,美国主动关闭斯皮策空间望远镜。斯皮策空间望远镜已5次延寿、在轨运行超过16年,运用科学数据发表了超过9000篇科学论文,在宇宙红外观测、恒星和星系演化、系外行星证认等多个领域取得了重大发现。斯皮策空间望远镜在研制阶段采用了新颖的地球尾随日心轨道设计,当时最先进的大面阵红外探测器件;发射后科学目标紧扣空间天文观测新热点的系外行星及时调整,在3个焦面有效载荷仅剩1个红外阵列相机,且其4个波段仅存2个能正常工作的挑战下,任务运控团队和科学团队紧密协同,仍成功开展了长达10年的科学观测。空间科学先导专项部署了相关空间红外天文探测的预先研究,斯皮策任务的开放技术创新、科学目标与时俱进、协同一体化观测等实现科学产出最大化的系列实践值得借鉴。     

国家天文台将启动8大天文工程

为实现中国天文学研究的跨越式发展，加快追赶世界先进水平的步伐，国家天文台近期将启动实施8大天文工程。这8大天文工程分别是：大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)、空间太阳望远镜(SST)、500m口径球面射电望远镜(FAST)、“宇宙第一缕曙光”探测项目(21CMA)、青藏高原天文台选址计划、云南高美占2．4m望远镜建设、云南抚仙湖红外太阳塔建设以及中国月球探测计划。这些项目将代表中国乃至世界天文技术的最高水平。     

面阵折射微透镜与红外焦平面结构

分析了利用面阵凸折射微透镜来增大红外凝视焦平面成像器件的填充系数,进而提高信噪比改善器件光电响应特性的物理机制,讨论了引入凸折射微透镜阵列对红外焦平面器件的空间分辨率、探测率Ｄ＾＊和红外响应均匀性参量的影响。     

红外-近红外波长变换器件p-QWIP-LED研究

报道了一种基于p型量子阱红外探测器(QWIP)和发光二极管(LED)的新型量子阱红外探测器. 该器件作为一种p型量子阱红外探测器(QWIP)和发光二极管(LED)的有效集成器件, 可以将QWIP探测的长波红外信号经光电转换过程后变成LED在近红外的发光. 通过电学直接读出方式和近红外(0.87 μm)光强度变化读出方式, 从实验上测量了器件的红外响应光谱, 设计与制备的器件实现了从长波红外(7.5 μm)向近红外(0.87 μm)的波长变化. 研究结果表明这种红外-近红外波长变换途径有可能导致红外焦平面技术体制的变化.     

面阵折射微透镜与红外焦平面结构

分析了利用面阵凸折射微透镜来增大红外凝视焦平面成像器件的填充系数,进而提高信噪比以改善器件光电响应特性的物理机制,讨论了引入凸折射微透镜阵列对红外焦平面器件的空间分辨率、探测率D*和红外响应均匀性等参量的影响.     

天文学中的电子成像

现代天文学非常依赖于对宇宙中微弱光信号的观测和解释。1970年贝尔实验室首次发表了电荷耦合器件（CCD）的概念，天文学家看到了CCD对天文观测的重要性，于是主动参与或支持专为天文设计的CCD芯片研制。时至今日，CCD芯片已经广泛用在天文台上，专业的天文CCD芯片已近乎完美。     

后表面对P-N结光伏红外探测器性能的影响:(Ⅰ)理论分析

分析了光在P—N结光伏红外探测器前后表面间多次反射对器件性能的影响。导出了在考虑光的多次反射时,器件的量子效率、探测率和结电阻的一组更为普遍的解析表示式,它们可用于分析薄膜器件。     

新型低维结构锑化物红外探测器的研究与挑战

红外光电探测器已经历了半个多世纪的发展,先后出现了机械扫描式单元及线列探测器和凝视型红外焦平面探测器两代探测器技术,并形成了一个庞大的红外探测器器件家族.近年来人们逐渐提出了以高探测率、大面阵、低成本、多光谱为技术特点的第三代红外探测器概念.锑化物红外探测材料以其具备的优越光电性能:量子效率高,暗电流小,微带带隙可调,均匀性高、成本低等,成为第三代红外焦平面探测器的最优选材料.本文回顾了近年来国内外第三代红外探测器材料与器件的研究发展历程,重点阐明了锑化物II类超晶格红外探测材料在技术上的优势及其国内外发展现状.通过分析个多个重点研究机构的技术发展历程,阐明了锑化物材料与器件研究的发展趋势,面临的挑战以及今后数年内该领域的研究重点.     

钨摻杂氧化钒基非制冷红外探测器性能研究

氧化钒(VOx)作为热敏材料已经广泛应用在非制冷红外探测器中,其中热敏材料的性能对于最终器件性能的影响尤为关键。为了研究钨元素摻杂对氧化钒热敏薄膜材料的相变温度、热滞宽度、低温时的电阻温度系数的影响以及对探测器性能指标的影响,利用微电子加工工艺制备了钨摻杂与非钨摻杂氧化钒溅射薄膜红外探测器件,并利用黑体测试系统结合锁相放大器和频谱分析仪对器件性能指标进行了测试。结果表明,相比非钨掺杂器件,钨掺杂器件的相变温度降低了16℃左右,热滞宽度缩短了5℃左右,器件的响应电压则提高了0.15 m V,单位带宽噪声均方根电压降低了15 n V·Hz-1/2,从而使器件探测率提高。当辐射信号的调制频率为80 Hz时,非钨掺杂氧化钒探测器的探测率D*值为1.67×108cm·Hz1/2/W,而钨掺杂氧化钒探测器的探测率D*值为1.85×108cm·Hz1/2/W。可见,钨掺杂氧化钒探测器的探测率较非钨掺杂氧化钒探测器的探测率高。     

一种数字式红外火焰探测器

目的 寻求一种可靠性高、可探测设备内外火情的火焰探测器。方法 应用红外辐射原理,采用响应波长范围为１．５～３．０μｍ的流化铅光敏电阻作为红外光敏探测器件,由４个探测器件两两配对,构成具有２＋２测量区域的双红外系统,可探测半球区域的数字式红外火焰探测器。结果与结论 该探测器抗干扰能力强,对光窗污染不敏感,可用于探测设备内外火情,特别适用于易燃易爆场合的火情监测。     

红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器

回顾了近10年基于半导体中量子限制效应红外探测器的进展．主要关注的是二维限制结构,即量子阱结构,形成的区别与传统红外光子探测的子带跃迁机理．在红外光电子领域作为新族的量子阱红外探测器（quantum well infrared photo-detector,QWIP）与最典型的红外探测器代表碲镉汞红外探测器进行了各自特色的分析,包括基本工作机理和材料与器件的制备技术等方面．对于QWIP发展的回顾提升了与碲镉汞红外探测器之间的互补关系．也给出了对于QWIP在未来发展方面的基本趋势．     

基于FPGA的红外成像系统及图像处理算法

红外成像技术一直是光电子领域的热点课题,由于受红外自身成像特点、红外探测器件工艺限制及成像环境的影响,导致红外图像噪声大、对比度低,造成红外图像待测目标模糊、图像信噪比较低、无法有效识别目标等问题.同时,传统红外图像处理系统往往无法在提升红外视频图像质量的同时兼顾图像处理速度.因此为提升硬件条件下的红外图像质量和图像处...     

实用高温超导薄膜研究开发

超导薄膜是超导电子应用的基础材料，用超导薄膜制作的超导器件具有的性能，是任何其他材料无法相比的。高温超导薄膜可广泛应用于红外探测、微弱电磁信号接收、人体及生物磁测量、微波通信与探测、信号处理、电力开关等。目前，高温超导薄膜的研究处于从基础研究向实际应用转化的关键阶段，已从实验室进入了超导电子学的各个应用领域，正在发展成为     

湖北省红外探测器列入国家产业转型升级项目

日前，湖北省红外探测器项目列入国家产业转型升级项目，计划总投资2．4亿元，由国内规模最大的红外热像产品制造商——武汉高德红外股份有限公司生产。该项目量产后，年产量将达到6万套，有望彻底打破国外产品垄断局面。红外热像仪的核心技术包括全系统设计、整体集成、探测器三方面。其中，探测器技术被美国、法国、日本等国家垄断，国外探测器价格高，导致国产红外热像仪动辄每台几万元，甚至数百万元。高德红外相关负责人表示，红外探测器量产后，该公司生产的红外车载夜视产品价格有望降到5000元以内。     

红外天文观测技术进展

介绍了红外天文观测的意义及观测技术的发展过程,以PtSi-IRCCD和HgCDTe-IRFPA为例说明了红外焦平面阵列的工作原理,分析了研制红外探测器的技术难点,最后阐述了中国红外天文观测技术发展前景.     

光纤甲烷气体传感器可行性研究

从理论上提出了一种基于比耳-朗伯定律的新型煤矿安全系统瓦斯检测方法．这种方法利用光纤作为探测器件，在甲烷的红外吸收谱线处利用强度吸收法实现对甲烷气体体积分数的检测，并利用差分法实现外界误差的消除，从而达到准确测量的目的．由实验室模拟实验证实这种方法可以大大提高系统的灵敏度．