高性能紅外探測系統(tǒng)研究.pdf

1、紅外探測在物理、化學(xué)、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用，高性能探測系統(tǒng)的研究對于推動該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義，而探測器與探測系統(tǒng)的搭建是決定探測系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。量子阱探測器憑借其較好的均勻性、成熟的工藝和高速的響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)在中紅外及太赫茲波段探測中受到越來越廣泛的關(guān)注。本文首先研究了影響及限制中紅外、太赫茲量子阱探測器性能的因素。然后，針對弱信號探測，提出了一種基于光柵干涉儀的低背景探測系統(tǒng)。
　　在探測器研究部分，本文對峰值波長

2、為9微米的中紅外量子阱探測器和峰值波長為44微米的太赫茲量子阱探測器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論的細(xì)致研究。對于中紅外量子阱探測器，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)的研究了暗電流的溫度特性及偏壓特性，研究了暗電流的主要機(jī)制，并給出了該器件的極限探測率。對于太赫茲量子阱探測器，系統(tǒng)的研究了其暗電流的溫度特性，偏壓特性，并對其熱激發(fā)，散射輔助隧穿及阱間隧穿對暗電流的貢獻(xiàn)進(jìn)行了計算。同時，對其光電流響應(yīng)進(jìn)行了討論。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，太赫茲量子阱探測器工作溫度較低，極

3、大限制其應(yīng)用，對此提出兩種提高其工作溫度的方法。
　　在探測系統(tǒng)部分，本文提出了可實(shí)現(xiàn)紅外弱信號探測的高性能探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效降低探測器的背景輻射，進(jìn)而提高探測器的探測率和信噪比。首先，分析了工作在不同狀態(tài)下限制探測器性能的因素，結(jié)果表明暗電流限制模式下，降低器件工作溫度即可提高探測性能，但一旦進(jìn)入背景限制模式，則必須降低背景輻射才能繼續(xù)提高探測性能，即要實(shí)現(xiàn)低背景探測。然后，針對紅外應(yīng)用中最常見的傅利葉紅外光譜儀系統(tǒng)，分別介

4、紹了邁克爾遜型和光柵型兩種光譜儀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明用傳統(tǒng)邁克爾遜型光譜儀實(shí)現(xiàn)低背景探測需將整個干涉儀部分、光源及探測器都置于低溫環(huán)境下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；然而，對于光柵型光譜儀，只需將光源和探測器部分置于低溫下即可實(shí)現(xiàn)低背景探測，簡單易行。最后，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行計算，結(jié)果表明，理想情況下，對工作在背景限制下的探測器，當(dāng)由300K的背景輻射降至77K時，其探測率和信噪比可提高二至三個數(shù)量級，對實(shí)際9微米量子阱探測器器件，峰值探測率可提升一個數(shù)量級，該