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详述多维度红外光电探测器

MEMS 来源:麦姆斯咨询 作者:麦姆斯咨询 2022-03-12 09:48 次阅读

红外光电探测器可以获取目标反射和自发的红外辐射,具有抗干扰性强、全天候观测、探测距离远、分辨率高等优点,在国防、通信、遥感、航天等领域中扮演着不可替代的角色。从20世纪40年代第一代低像素探测器的应用到90年代末第三代SWaP3概念的提出,红外光电探测器正经历着变革性发展。

专注于阵列规模、灵敏度、分辨率等性能指标提高的传统光电探测器利用光强度信息进行成像,无法满足未来目标多样化、环境复杂化、任务多元化等发展需求。多维度光信息的获取为提升红外探测器性能提供了新途径,除强度信息外,通过红外光电探测器可以获取光的波长、动量、偏振和相位等本征信息,也可利用光的传输时间获取光程信息。

据麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达研究员课题组在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“多维度红外光电探测器”为主题的综述文章。叶振华研究员主要从事红外光电探测器件的研究工作。

这项研究面向多维度红外探测发展需求,聚焦波长、偏振、光程和相位四个方面的特征,从新原理、新材料、新结构等方面综述了近年来多维度红外光电探测器的研究进展,进而提出对多维度红外探测器发展方向的思考和展望。

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多维度红外光电探测器

关于波长信息红外光电探测器,传统强度维度红外光电探测器只针对单一谱段探测,存在目标丰富度信息获取不全、信息模糊等现象,多波长探测增加了图像处理算法的能力,场景的物体图像信息准确性得到明显提高,也可通过去除某一波段检测到的不需要的背景或目标特征,实现更高的有效信噪比,因此,拓展红外光波长维度信息,成为新型多维度红外光电探测器的重要发展方向之一。自20世纪80年代起,成像光谱仪便普遍应用于频率维度信息的获取,在天文遥感、食品安全等多领域发挥重要作用。多波长信息最终实现“数据立方”获取,获得二维灰度图像,同时也得到光谱成像信息,形成光谱切片,极大程度拓展目标信息丰富度。

具有可扩展吸收波长、灵敏度高、成本低的低维材料为新型红外光电探测器的发展带来机遇。传统双色探测器需要复杂的制冷系统降低暗电流,同时在外延生长时存在晶格失配、串扰等问题,无法满足小型化、高性能发展需求。然而通过范德瓦尔斯力(vdWs)键合的层状二维(2D)材料,避免了表面悬挂键、晶格失配等影响。

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二维材料双色探测器、量子点双色探测器结构示意图

关于偏振信息红外光电探测器,传统强度维度红外探测器逐步无法满足特定场景中目标信息探测的需求,红外偏振信息应用具有识别背景温差小的目标的优势,在清晰目标轮廓、突出背景环境目标信息和降低虚警率等方面发挥重要作用,被广泛应用于军事、医学、农业、海洋监测等多个领域。红外偏振成像与探测物体表面的粗糙度有关。偏振度、偏振角、偏振椭率和消光比是红外偏振探测器关注的主要性能参数。传统的红外偏振成像探测类别主要分为四种:分时成像法、分振幅成像法、分孔径成像、分焦平面成像法(目前红外偏振主流成像)。针对传统红外偏振探测器进展主要集中于偏振片的研究和开发,无法真正意义上实现偏振焦平面一体化集成的问题。本研究从新结构、材料和机理三方面进行综述,打破传统光栅结构限制,为红外偏振探测开辟新途径。

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(a)传统红外成像,(b)偏振成像,(c)可见光成像,(d)红外成像,(e)偏振成像

关于光程维度红外光电探测器,光程信息具备测量物体距离的信息特点,使机器视觉成像从二维(2D)迈向三维(3D)。三维成像目前主要分为立体视觉、结构光和飞行时间(ToF)三种。APD在光程维度探测中扮演着至关重要的角色,针对传统APD存在着高质量材料制备要求、高噪声等缺点,主要从新机理、新结构、多功能三方面对新型APD进行了讨论。采用二维材料APD弹道雪崩效应、冲击电离结构异质结等实现低噪声特性;通过2D/3D异质结、肖特基结构等降低APD制备成本;制备MIM结构、锥形纳米线APD等实现偏振信息、宽广谱信息获取;通过零维量子点和一维纳米线结合突破传统APD雪崩结构认知,实现单光子探测。新型APD器件的提出,为获取光程维度信息的发展提供新思路。

关于相位维度红外光电探测器,传统被动目标识别中,由于能量在路径中存在非矢量叠加,导致在目标信息获取中容易受到路径气候等其他因素干扰,使其在弱目标、高速目标观测中出现精度下降等问题。具有相位分布、携带轨道角动量(OAM)信息的涡旋光,得到主动探测领域的关注,因其具有以下三个特点:远超现有物体运动的飞行速度;识别隐身目标,具有极强的抗干扰能力;不受传播途径中水汽、云雾等环境因素干扰,具有高的适应性能。

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新材料、新结构、新理念的总结和新一代探测器的发展展望图

多维度信息红外光电探测器成为信息化、智能化时代的主要发展方向,本文针对传统强度维度探测器无法满足复杂环境需求等问题,从新结构、新机理、新材料等方面论述了近年来多维度红外光电探测器的发展,具体体现在:(1)红外光电探测器的未来发展应结合新型材料,利用材料内禀特性,实现多维度信息获取。(2)传统红外光电探测器发展趋于集成化、规模化发展。突破定式思维,推动新机理研发,成为未来光电探测器发展的重要趋势之一。(3)针对传统探测器结构发展趋于瓶颈、器件成本高、器件性能仍待改善等问题,新结构的发展成为解决问题的主要途径之一。红外光电探测器呈现集成化、低成本、微型化的发展趋势。新材料、新原理、新结构之间存在密不可分的联系,相辅相成。

审核编辑 :李倩

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原文标题:详述多维度红外光电探测器

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