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什么是紅外探測(cè)新技術(shù)—量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器？
2017-12-05
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，也就是眾所周知的紅橙黃綠青藍(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(cè)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——所有溫度高于絕對(duì)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(cè)的手段來觀察物體，紅外探測(cè)技術(shù)通常可用于夜視、醫(yī)療、氣體檢測(cè)、天文探測(cè)等。
紅外探測(cè)器是一種對(duì)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(cè)基于紅外輻射的熱效應(yīng)，也就是紅外光的照射使得探測(cè)器溫度升高，溫度的變化使紅外探測(cè)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(cè)器的感知速度比較慢。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方式
現(xiàn)代的紅外探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器中的電子，使得紅外探測(cè)器輸出的電流或電壓發(fā)生直接的變化，通過對(duì)這種變化進(jìn)行測(cè)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(cè)器的反應(yīng)速度更迅捷。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(quantum cascade detector, QCD)是一種新型的光電探測(cè)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(jí)聯(lián)探測(cè)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(cè)波長主要受到勢(shì)壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個(gè)比方，勢(shì)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(jí)分布。根據(jù)量子力學(xué)原理，能級(jí)會(huì)被束縛在墻與墻之間，不會(huì)高于墻頭。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能級(jí)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(dòng)。上圖的吸收區(qū)中，一個(gè)入射的光子可以將E1能級(jí)上的電子提高至E6能級(jí)，然后輸運(yùn)區(qū)的能級(jí)設(shè)計(jì)成下臺(tái)階的樣式，使該電子能夠定向移動(dòng)。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(shí)？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(jí)聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級(jí)聯(lián)”。此時(shí)有人或許要問，能級(jí)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(dòng)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(jí)聯(lián)探測(cè)器這種不對(duì)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(chǎng)。這種光伏特性使得光電信號(hào)的輸出與采集更為便捷。無外加電場(chǎng)時(shí)，量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器在無光照條件下不會(huì)產(chǎn)生電流(無暗電流)，僅在有光子入射的情況下，才會(huì)輸出純凈的光電流。所以量子級(jí)聯(lián)探測(cè)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(jí)聯(lián)探測(cè)器成為微光探測(cè)、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通信以及高對(duì)比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中極具前景的紅外探測(cè)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)在國際上首次研制了量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器紅外焦平面陣列，該探測(cè)器基于GaAs/AlGaAs材料，峰值探測(cè)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)。
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(cè)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——所有溫度高于絕對(duì)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(cè)的手段來觀察物體，紅外探測(cè)技術(shù)通常可用于夜視、醫(yī)療、氣體檢測(cè)、天文探測(cè)等。
紅外探測(cè)器是一種對(duì)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(cè)基于紅外輻射的熱效應(yīng)，也就是紅外光的照射使得探測(cè)器溫度升高，溫度的變化使紅外探測(cè)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(cè)器的感知速度比較慢。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方式
現(xiàn)代的紅外探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器中的電子，使得紅外探測(cè)器輸出的電流或電壓發(fā)生直接的變化，通過對(duì)這種變化進(jìn)行測(cè)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(cè)器的反應(yīng)速度更迅捷。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(quantum cascade detector, QCD)是一種新型的光電探測(cè)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(jí)聯(lián)探測(cè)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(cè)波長主要受到勢(shì)壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個(gè)比方，勢(shì)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(jí)分布。根據(jù)量子力學(xué)原理，能級(jí)會(huì)被束縛在墻與墻之間，不會(huì)高于墻頭。
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的能級(jí)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(dòng)。上圖的吸收區(qū)中，一個(gè)入射的光子可以將E1能級(jí)上的電子提高至E6能級(jí)，然后輸運(yùn)區(qū)的能級(jí)設(shè)計(jì)成下臺(tái)階的樣式，使該電子能夠定向移動(dòng)。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(shí)？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(jí)聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級(jí)聯(lián)”。此時(shí)有人或許要問，能級(jí)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(dòng)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(jí)聯(lián)探測(cè)器這種不對(duì)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(chǎng)。這種光伏特性使得光電信號(hào)的輸出與采集更為便捷。無外加電場(chǎng)時(shí)，量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器在無光照條件下不會(huì)產(chǎn)生電流(無暗電流)，僅在有光子入射的情況下，才會(huì)輸出純凈的光電流。所以量子級(jí)聯(lián)探測(cè)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(jí)聯(lián)探測(cè)器成為微光探測(cè)、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通信以及高對(duì)比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中極具前景的紅外探測(cè)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)在國際上首次研制了量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器紅外焦平面陣列，該探測(cè)器基于GaAs/AlGaAs材料，峰值探測(cè)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)。
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