第九章红外探测技术

第九章 红外探测技术
最初的红外探测器主要是热电探测器， 最初的红外探测器主要是热电探测器， 直至1917 Case研制出第一只硫化铊光电 1917年 直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电 导探测器， 导探测器，这种探测器比热电探测器灵 敏度高，响应也快。 敏度高，响应也快。 第二次世界大战， 第二次世界大战，人们认识到了红外技术 在军事应用中的巨大潜力， 在军事应用中的巨大潜力，开始对红外 技术极为重视，寻找新的材料和制作方 技术极为重视， 19世纪40年代初 世纪40年代初， PbS为代表的 法。19世纪40年代初，以PbS为代表的 光电型红外探测器问世， 光电型红外探测器问世，随后又出现了 硒化铅、碲化铅探测器。 硒化铅、碲化铅探测器。
c ≈ 3.0 × 10 m / s
c = λ •γ
λ
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二、电磁波谱
第九章 红外探测技术 在光谱学中, 在光谱学中,除用波长 λ 和频率 γ 来表征电磁波 它为波长的倒数: 外,还经常使用波数 σ ,它为波长的倒数:
σ = 1/ λ = γ / c
γ σ
电磁辐射具有波动性和量子性双重属性. 电磁辐射具有波动性和量子性双重属性. 光子的能量为: 光子的能量为: E = h = hc = hc / 式中, 式中, h 称为普朗克常数: 称为普朗克常数:
第九章 红外探测技术 几种常用红外探测器材料及他们的响应波段 (Si)探测器 硅光电二极管 (Si)探测器 近红外(0.7 (0.7～ 近红外(0.7～1.1μm) 铟镓砷(InGaAs) (InGaAs)、 铟镓砷(InGaAs)、硫化铅探测器 短波红外(1～3 μm) 短波红外(1～ (1 锑化铟(InSb) (InSb)、 (HgCdTe)、 锑化铟(InSb)、碲镉汞 (HgCdTe)、量子阱探测 器(QWIP) 中波红外(3 (3～ 中波红外(3～5 μm) 碲镉汞探测器(HgCdTe) 量子阱探测器(QWIP) (HgCdTe)、 碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP) 长波红外、热红外(8 (8～ 长波红外、热红外(8～14 μm) 量子阱探测器(QWIP) 量子阱探测器(QWIP) 远红外(16 μm以上 以上) 远红外(16 μm以上)
第九章 红外探测技术 二、电磁波谱 物质内部的带电粒子的变速运动都会发射或吸收电 磁辐射.电磁辐射按其波长(或频率) 磁辐射.电磁辐射按其波长(或频率)的次序排列成 一个连续谱,称为电磁波谱. 一个连续谱,称为电磁波谱. 电磁波在真空中具有相同的 8 传播速度,称为光速: 传播速度,称为光速: 光速C 光速C与电磁波的频率 γ 的关系: 和波长 λ 的关系: ' 在介质中, 在介质中,同样频率γ 的电磁波长为 ,传播速度为 υ c ' 则有: 故有: 则有: λ • γ = υ 故有: λ = λ' υ 式中, 称为介质对真空的折射率. 式中, n = c / υ 称为介质对真空的折射率.
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二、红外探测器及其技术的发展 （一）红外探测器的发展 红外技术发展的先导是红外探测器的发展， 红外技术发展的先导是红外探测器的发展， 一个国家红外探测器的技术水平代表着 其红外技术发展的水平。 其红外技术发展的水平。 最早的红外探测器是1800 1800年英国天文学家 最早的红外探测器是1800年英国天文学家 威廉·赫歇耳发明的水银温度计， 威廉·赫歇耳发明的水银温度计，随后 发明了热电偶、热电堆，1880年美国的 发明了热电偶、热电堆，1880年美国的 Langley发明了测热辐射计 发明了测热辐射计。 Langley发明了测热辐射计。
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军用红外系统通常工作在3 5μm和 军用红外系统通常工作在3～5μm和8～ 10μm两个大气窗口 它能透过烟、 两个大气窗口， 10μm两个大气窗口，它能透过烟、尘、 树丛等，可以实现昼夜探测. 雾、树丛等，可以实现昼夜探测. 夜幕历来是战争的屏障， 夜幕历来是战争的屏障，由于红外技术的 发展， 发展，掌握红外探测优势的一方具有单 向透明的优点， 向透明的优点，常规的树丛和夜色越来 越不起作用。 越不起作用。
第九章 红外探测技术 1800 年，英国物理学家 F. W. 赫胥尔从热的观点 来研究各种色光时，发现了红外线。 来研究各种色光时，发现了红外线。 他在研究各种色光的热量时， 他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯 一的窗户用暗板堵住， 一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩 形孔，孔内装一个分光棱镜。 形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过 棱镜时，便被分解为彩色光带， 棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计 去测量光带中不同颜色所含的热量。 去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与 环境温度进行比较， 环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附 近放几支作为比较用的温度计来测定周围环 境温度。试验中， 境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现 放在光带红光外的一支温度计， 象：放在光带红光外的一支温度计，比室内 其他温度的批示数值高。 其他温度的批示数值高。
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9.1 红外辐射的基本知识 一、红外线的发现和本质 人们发现太阳光（白光） 1672 年，人们发现太阳光（白光）是由各 种颜色的光复合而成，同时， 种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出 了单色光在性质上比白色光更简单的著 名结论。使用分光棱镜就把太阳光（ 名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白 光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、 分解为红、 紫等各色单色光。 紫等各色单色光。
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第九章 红外探测技术 9.2 红外探测技术的研究与发展 一、红外线的研究意义 红外探测以红外物理学为基础， 红外探测以红外物理学为基础，研究和分析红外 的产生、传输及探测过程中的特征和规律； 的产生、传输及探测过程中的特征和规律； 对产生红外辐射的目标的探测识别提供依理论基 础和实验依据。 础和实验依据。 红外探测通过对各种物质、 红外探测通过对各种物质、不同目标和背景红外 辐射特性的研究， 辐射特性的研究，实现对目标及其周围环境 进行深入的探测与识别， 进行深入的探测与识别，特别是在夜间作战 过程中提供清晰的目标与战场情况。 过程中提供清晰的目标与战场情况。
λ
h = (6.626075 ± 0.000004) ×10
−34
J •s
可见，光子能量与频率、 可见，光子能量与频率、波数或波长之间具有完全 确定的关系
第九章 红外探测技术 三、红外辐射特性 红外线与可见光具有相似的特性： 红外线与可见光具有相似的特性： 按直线前进、服从反射和折射定律、也有干涉、 按直线前进、服从反射和折射定律、也有干涉、 衍射和偏振特性；同时，它又有粒子性， 衍射和偏振特性；同时，它又有粒子性，即 它以光量子形式发射和吸收。 它以光量子形式发射和吸收。 还有与可见光不一样的独特性能： 还有与可见光不一样的独特性能： 对人的眼睛不敏感，需用红外探测器接收； 1、对人的眼睛不敏感，需用红外探测器接收； 光量子能量比可见光小； 2、光量子能量比可见光小； 热效应比可见光要强的多； 3、热效应比可见光要强的多； 更易被物质吸收。 4、更易被物质吸收。
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红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛 的电磁波辐射。 的电磁波辐射。温度在绝对零度以上的 物体， 物体，都会因自身的分子运动而辐射出 红外线。 红外线。它是基于任何物体在常规环境 下都会产生自身的分子和原子无规则的 运动，并不停地辐射出热红外能量， 运动，并不停地辐射出热红外能量，分 子和原子的运动愈剧烈， 子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈 反之，辐射的能量愈小。 大，反之，辐射的能量愈小。
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1959年Lawso研制出碲镉汞（HgxCd1-xTe） 1959年Lawso研制出碲镉汞（HgxCd1-xTe） 研制出碲镉汞 的长波长红外探测器， 的长波长红外探测器，这是红外技术史 上的一次重要进展。 上的一次重要进展。 它是目前性能最好，也是最广泛应用的II 它是目前性能最好，也是最广泛应用的II VI族红外探测器 它是利用带间吸收， 族红外探测器。 －VI族红外探测器。它是利用带间吸收， 因此具有极高的探测率和量子效率。 因此具有极高的探测率和量子效率。通 过调节Hg的组分x可以实现带隙从0­ Hg的组分 0­过调节Hg的组分x可以实现带隙从0­0.8eV的连续可调 的连续可调。 0.8eV的连续可调。因此它所能探测的 波长范围覆盖了中波红外（ 5μm） 波长范围覆盖了中波红外（3-5μm）和 长波红外（ 14μm）两个波段。 长波红外（8-14μm）两个波段。
第九章 红外探测技术 而利用MBE生成的III－ 而利用MBE生成的III－V族材料体系制成的量子 MBE生成的III 阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足， 阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足， III－ 族材料生长、器件制作工艺成熟， III－V族材料生长、器件制作工艺成熟，适于制 作大面阵探测器。同时III III－ 作大面阵探测器。同时III－V族材料组分容 易控制和调节，通过调节化合物的组分， 易控制和调节，通过调节化合物的组分，可 以比较容易的改变量子阱的阱宽、 以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参 进而可以调节探测波长。 数，进而可以调节探测波长。可以覆盖三个 主要的大气窗口。因此III III－ 主要的大气窗口。因此III－V族材料在实现 多色探测方面也有很大的优势。 多色探测方面也有很大的优势。因此有望与 HgxCd1-xTe材料并驾齐驱 材料并驾齐驱， HgxCd1-xTe材料并驾齐驱，在军事上和民用 上都发挥重要的应用。 上都发挥重要的应用。
第九章 红外探测技术 二次大战后， 二次大战后，半导体技术的发展推动了红外探测 技术的发展：先后出现了InSb HgCdTe、 InSb、 技术的发展：先后出现了InSb、HgCdTe、掺 杂Si、PtSi。 Si、PtSi。 InSb的灵敏度较高 但是带隙只有0.22eV 的灵敏度较高， 0.22eV， InSb的灵敏度较高，但是带隙只有0.22eV，所以 只能探测低于5.6μm 5.6μm。 只能探测低于5.6μm。 PtSi由于它的高均匀性和可生产性，可以做成大 PtSi由于它的高均匀性和可生产性， 由于它的高均匀性和可生产性 的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm 5.7μm， 的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm，也 只能用于中短波范围，而且量子效率很低。 只能用于中短波范围，而且量子效率很低。 同时InSb PtSi都没有波长可调性和多色探测能 InSb和 同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能 力。 掺杂Si有很宽的光谱带宽， Si有很宽的光谱带宽 掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可 调性，而且必须工作在很低的温度。 调性，而且必须工作在很低的温度。
第九章 红外探测技术 （二）红外探测技术的发展 随着红外探测器的发展,红外技术的应用日益广泛: 随着红外探测器的发展,红外技术的应用日益广泛: 19世纪 随着红外探测器的出现, 世纪, 19世纪,随着红外探测器的出现, 人们利用它研究天文星体的红外辐射; 人们利用它研究天文星体的红外辐射; 化学工业应用红外光谱进行物质分析. 化学工业应用红外光谱进行物质分析. 红外探测技术的发展得益于战争尤其是二次大战 的刺激。随后的冷战时期， 的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部战 争，人们不断加深对红外探测器重要性的认 至今， 识。至今，军事应用仍占整个红外敏感器市 场的75% 75%。 场的75%。
第九章 红外探测技术 经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区， 经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总 是位于光带最边缘处红光的外面。 是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣 布太阳发出的辐射中除可见光线外， 布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一 种人眼看不见的 “ 热线 ” ，这种看不见的 位于红色光外侧，叫做红外线。 “ 热线 ” 位于红色光外侧，叫做红外线。 红外线是一种电磁波， 红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光 一样的本质， 一样的本质，红外线的发现是人类对自然认 识的一次飞跃，对研究、 识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技 术领域开辟了一条全新的广阔道路。 术领域开辟了一条全新的广阔道路。