如何利用振蕩電路頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)室溫長(zhǎng)波紅外探測(cè)與成像？

由于光子能量低，一直以來(lái)室溫下探測(cè)長(zhǎng)波紅外（LWIR）光子都充滿挑戰(zhàn)。近年來(lái)，研發(fā)低成本、高性能的室溫長(zhǎng)波紅外探測(cè)器和熱像儀是發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)（University of Central Florida，UCF）物理系教授、納米科學(xué)技術(shù)中心研究員Debashis Chanda領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種探測(cè)光子的新技術(shù)，覆蓋從可見(jiàn)光波段到無(wú)線電頻段的基本粒子，并在蜂窩通信中發(fā)揮著重要作用。

這項(xiàng)研究成果以“Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature”為題，發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊。該文章第一作者為Tianyi Guo，通訊作者為Debashis Chanda。

這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步可以為各領(lǐng)域帶來(lái)更精確、更高效的技術(shù)，從而改善醫(yī)療成像和通信系統(tǒng)、提高科學(xué)研究水平，甚至可能增強(qiáng)安防措施。

光子探測(cè)通常依賴于電壓或電流的振幅調(diào)制（AM）。但Debashis Chand研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種通過(guò)振蕩電路頻率調(diào)制（FM）來(lái)探測(cè)光子的方法，為超靈敏光子探測(cè)鋪平了道路。

圖2 基于FM的長(zhǎng)波紅外探測(cè)

研究人員使用了一種特殊的相變材料（PCM），當(dāng)光照射這種材料時(shí)，其形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的電節(jié)律或電路振蕩。當(dāng)光照射相變材料時(shí)，節(jié)律速度或振蕩頻率會(huì)發(fā)生改變。節(jié)律變化程度取決于光的強(qiáng)弱，類似于人的聲音會(huì)改變收音機(jī)的聲音。

8微米至12微米波段的長(zhǎng)波紅外探測(cè)對(duì)于天文學(xué)、氣候科學(xué)、材料分析以及安防領(lǐng)域極為重要。然而，由于光子能量較低，室溫長(zhǎng)波紅外探測(cè)一直頗具挑戰(zhàn)，目前主要分為制冷型探測(cè)器和非制冷探測(cè)器兩大類，二者都各有其優(yōu)劣勢(shì)。

雖然制冷型探測(cè)器具有出色的探測(cè)性能，但需要低溫冷卻，使其價(jià)格昂貴并限制了實(shí)用性。另一方面，非制冷探測(cè)器可以在室溫工作，但由于室溫工作時(shí)探測(cè)器的固有熱噪聲較高，其探測(cè)率低、響應(yīng)速度慢。因而低成本、高靈敏度、快速響應(yīng)的紅外探測(cè)器和紅外相機(jī)仍然面臨著挑戰(zhàn)。這也是除國(guó)防領(lǐng)域及特定太空應(yīng)用外，制冷型紅外熱像儀未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

對(duì)于這項(xiàng)研究成果，Debashis Chand解釋道：“與目前所有光子探測(cè)方案（基于電壓或電流的振幅調(diào)制-AM）不同，我們的方案中，光子入射會(huì)對(duì)振蕩電路的頻率進(jìn)行調(diào)制（FM），并被探測(cè)為頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)噪聲穩(wěn)定?！?/p>

圖3 室溫下該探測(cè)器在長(zhǎng)波紅外波段的性能測(cè)試

Debashis Chand表示，“我們基于FM的方法具有出色的室溫噪聲等效功率、響應(yīng)時(shí)間和探測(cè)能力，而這種基于FM的通用光子探測(cè)概念可以在基于其他相變材料的任何光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

Debashis Chand補(bǔ)充道，“我們的研究成果將這種基于FM的新型探測(cè)器作為獨(dú)特的平臺(tái)，可用于創(chuàng)建低成本、高效率的非制冷紅外探測(cè)器和成像系統(tǒng)，以滿足遙感、熱成像和醫(yī)療診斷等各類應(yīng)用的需要。我們堅(jiān)信，利用合適的大規(guī)模封裝技術(shù)，其性能還有望進(jìn)一步提升?！?/p>

圖4 基于FM的紅外成像

Debashis Chand研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這一概念為高靈敏度、非制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)提供了一種范式轉(zhuǎn)變，提供了噪聲限制探測(cè)器靈敏度的解決方案，這一研究成果有望成為一種新型非制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)方案，該方案具有高靈敏度、低成本，易與電子讀出電路集成等諸多優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清