2016光电探测技术-第三章.pdf

第三章 近红外探测技术 31 概 述 2 近红外延伸硅基探测器 33 化合物半导体基近红外探测器 第一节 概 述 1.1 红外辐射特性 1. 1800年英国天文学家赫谢耳 (Herschel)在研究太阳 七色光的热效应时发现了一种奇异的现象:在红光外侧 ，确实存在一种人眼看不见的 “热线”，后来称为 “ 红外线”，也称 “红外 辐射”。 2. 红外线存在于自然界的任何一个角落。事实上，一 切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻 刻都在不停地辐射红外线。 3. 研究表明，红外线是从物质内部发射出来的，物质 的运动是产生红外线的根源。由此可见，红外辐射的 物理本质是热辐射。这种辐射的量主要由这个物体的 温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度 及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这 个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。 红外线是一种电磁辐射，具有与可见光相似的特性，服从 反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等现象；同时， 它又具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收。此 外，红外线还有一些与可见光不一样的独有特性 : (1) 红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感 的红外探测器才能接收到； (2) 红外线的光量子能量比可见光的小，例如10μm波长的 红外光子的能量大约是可见 子能量的1/20； (3) 红外线的热效应比可见光要强得多。 红外探测器的发展 温度计 热电偶 热电堆 测辐射热计 确立了红外辐射的基本定律，红外物理才作为一门独立的学科分支 本征型器件 (例PbS探测器 ) 掺杂非本征型器件 三元化合物器件 (例HgCdTe探测器 ) 多元线列红外探测器 扫积型HgCdTe器件 (SPRITE探测器） 红外焦平面列阵技术 红外技术的发展 •19世纪：研究天文星体的红外辐射，应用红外光谱进行物质分析。 •20世纪：红外技术首先受到军事部门的关注，因为它提供了在黑暗中 观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。 第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索 装置等。 第二次世界大战前夕，德国：红外显像管； 战争期间：德国，美国：红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外 望远镜、测辐射热计等。 •50年代以后，美国：响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u—2间谍飞机 上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。前视红外装置 (FLIR) 获得了军界的重视，并广泛使用：机载前视红外装置能在1500m上空探 测到人、小型车辆和隐蔽目标，在20000 m高空能分辨出汽车，特别是 能探测水下40m深处的潜艇。 在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得 到充分显示。 目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐 驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外 侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等 在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。 • 在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门 转 化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医 学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、 红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防 伪更是各行业争相选用的先进技术。 • 标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷 达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面 列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝 视系统。 红外辐射波段的划分 在军事、空间、大多数工业中主要考虑红外辐射在 地球大气层中的传输特性。 近红外（NIR ） 0.75 μm-3 μm 中红外（MIR ） 3 μm-6 μm 远红外（FIR ） 6 μm-15 μm 极远红外（XIR ） 15 μm-1000 μm 红外光谱学研究中 近红外（NIR ） 0.75 μm-2.5 μm