如何利用振荡电路频率调制实现室温长波红外探测与成像？

由于光子能量低，一直以来室温下探测长波红外（LWIR）光子都充满挑战。近年来，研发低成本、高性能的室温长波红外探测器和热像仪是发展趋势。据麦姆斯咨询报道，近日，美国中佛罗里达大学（University of Central Florida，UCF）物理系教授、纳米科学技术中心研究员Debashis Chanda领导的研究团队开发出一种探测光子的新技术，覆盖从可见光波段到无线电频段的基本粒子，并在蜂窝通信中发挥着重要作用。

这项研究成果以“Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature”为题，发表于Advanced Functional Materials期刊。该文章第一作者为Tianyi Guo，通讯作者为Debashis Chanda。

这项技术的进步可以为各领域带来更精确、更高效的技术，从而改善医疗成像和通信系统、提高科学研究水平，甚至可能增强安防措施。

光子探测通常依赖于电压或电流的振幅调制（AM）。但Debashis Chand研究团队开发出了一种通过振荡电路频率调制（FM）来探测光子的方法，为超灵敏光子探测铺平了道路。

图2 基于FM的长波红外探测

研究人员使用了一种特殊的相变材料（PCM），当光照射这种材料时，其形态会发生变化，从而产生稳定的电节律或电路振荡。当光照射相变材料时，节律速度或振荡频率会发生改变。节律变化程度取决于光的强弱，类似于人的声音会改变收音机的声音。

8微米至12微米波段的长波红外探测对于天文学、气候科学、材料分析以及安防领域极为重要。然而，由于光子能量较低，室温长波红外探测一直颇具挑战，目前主要分为制冷型探测器和非制冷探测器两大类，二者都各有其优劣势。

虽然制冷型探测器具有出色的探测性能，但需要低温冷却，使其价格昂贵并限制了实用性。另一方面，非制冷探测器可以在室温工作，但由于室温工作时探测器的固有热噪声较高，其探测率低、响应速度慢。因而低成本、高灵敏度、快速响应的红外探测器和红外相机仍然面临着挑战。这也是除国防领域及特定太空应用外，制冷型红外热像仪未得到广泛应用的主要原因。

对于这项研究成果，Debashis Chand解释道：“与目前所有光子探测方案（基于电压或电流的振幅调制-AM）不同，我们的方案中，光子入射会对振荡电路的频率进行调制（FM），并被探测为频率偏移，从而实现噪声稳定。”

图3 室温下该探测器在长波红外波段的性能测试

Debashis Chand表示，“我们基于FM的方法具有出色的室温噪声等效功率、响应时间和探测能力，而这种基于FM的通用光子探测概念可以在基于其他相变材料的任何光谱范围内实现。”

Debashis Chand补充道，“我们的研究成果将这种基于FM的新型探测器作为独特的平台，可用于创建低成本、高效率的非制冷红外探测器和成像系统，以满足遥感、热成像和医疗诊断等各类应用的需要。我们坚信，利用合适的大规模封装技术，其性能还有望进一步提升。”

图4 基于FM的红外成像

Debashis Chand研究团队开发的这一概念为高灵敏度、非制冷型长波红外探测提供了一种范式转变，提供了噪声限制探测器灵敏度的解决方案，这一研究成果有望成为一种新型非制冷型长波红外探测方案，该方案具有高灵敏度、低成本，易与电子读出电路集成等诸多优势。

审核编辑：刘清