【摘 要】
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多光谱和偏振成像是目前和下一代红外相机的发展重点,与单纯利用光强度信息成像相比,窄带、多光谱成像和偏振成像能够提供更丰富的目标信息（光谱信息和偏振信息）,能够确定目标的绝对温度,从而降低相机对大气条件的敏感度。多个相邻光谱通道的组合有利于复杂环境中掩埋目标的探测,人工目标（如金属或玻璃）通常具有与自然目标不同的偏振特性,获取偏振信息能够帮助人们有效识别人造物体,因此是提高识别效率和减少误报警的重要
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
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多光谱和偏振成像是目前和下一代红外相机的发展重点,与单纯利用光强度信息成像相比,窄带、多光谱成像和偏振成像能够提供更丰富的目标信息（光谱信息和偏振信息）,能够确定目标的绝对温度,从而降低相机对大气条件的敏感度。多个相邻光谱通道的组合有利于复杂环境中掩埋目标的探测,人工目标（如金属或玻璃）通常具有与自然目标不同的偏振特性,获取偏振信息能够帮助人们有效识别人造物体,因此是提高识别效率和减少误报警的重要手段。传统的多光谱和偏振探测技术是将宽谱响应的焦平面探测器和分光组件或偏振组件组合在一起,这通常需要额外的空间,并且可能需要机械装置来切换光谱通道或扫描成像面,从而导致成像仪器体积偏大,成本也较高。因此人们希望在焦平面像元上能够直接集成这些功能,以此来实现成像仪器小型化、低成本、低功耗和高稳定性等。窄带、多光谱和偏振探测功能的片上集成是新型红外相机实现多功能和小型化的关键,通常情况下,通过在探测器像元上集成微滤光器或微偏振器可以实现这些探测功能的片上集成,但这些光学单元与焦平面之间存在材料匹配以及拼装困难等问题,这限制了他们的进一步应用。本文提出了一种利用金属薄膜覆盖QWIP像元台面形成金属微腔的红外探测器像元结构,该结构利用金属微腔的谐振选频特性可以将红外波段的窄带,多光谱以及偏振探测功能有效集成到探测器像元上,因此可以实现真正意义上的多功能片上集成。同时该器件在制备工艺上和现有焦平面工艺兼容,因此可以方便地实现大规模焦平面芯片。本文主要工作如下:1.研究了量子阱吸收模型,建立了考虑量子阱吸收的MC-QWIP仿真模型。针对CH4和SF6的气体的吸收带,利用Ga As/AlxGa1-xAs设计了探测波长分别位于8μm附近和10.6μm附近的量子阱材料。2.从矩形金属腔出发给出了预测腔模共振波长的公式,并用驻波形成条件分析了腔模模数,解释了MC-QWIP的等效2D腔Z方向上模数出现1/2分数的原因。根据量子阱吸收对量子效率影响的模拟结果,总结了优化光耦合结构时应该综合考虑的因素。3.根据理论分析和模拟结果设计了MC-QWIP的器件结构并进行了器件制备。器件测试结果显示MC-QWIP相比标准45°QWIP器件在黑体响应上可以实现～2倍增强,在峰值响应率上可以实现至少7倍的增强。MC-QWIP的响应光谱非常窄,已经观测到高达60的品质因子（峰位～5.71μm）。器件响应峰位可随台面尺寸调节,不同尺寸的台面组合可实现片上多光谱探测。此外,MC-QWIP还有非常强的偏振响应特性,在9.13μm波长处,MC-QWIP也实现了高达146的偏振消光比。对MC-QWIP金属腔共振模式的理论和实验结果进行了对比分析,结果表明本文所提出的金属腔共振理论和实验结果能够很好符合。此外,还研究了入射角对器件响应光谱的影响,结果表明,与Fabry-Pérot滤光器和等离激元滤光器相比,MC-QWIP具有较强的角度稳定性。4.针对SF6气体提出了一种免滤光器的像元级窄带MC-QWIP。根据模拟结果,在金属腔的强共振条件下,即使量子阱掺杂浓度很低(～1×1017cm-3),MC-QWIP的吸收量子效率仍能保持在较高水平（～74%）。器件的暗电流计算表明,与具有同等量子效率的R-QWIP(掺杂浓度～1×1018 cm-3)相比,MC-QWIP的暗电流至少可以降低一个数量级。预期这种MC-QWIP设计将是提高器件探测性能的有效手段。
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