詳述多維度紅外光電探測器

紅外光電探測器可以獲取目標(biāo)反射和自發(fā)的紅外輻射，具有抗干擾性強(qiáng)、全天候觀測、探測距離遠(yuǎn)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在國防、通信、遙感、航天等領(lǐng)域中扮演著不可替代的角色。從20世紀(jì)40年代第一代低像素探測器的應(yīng)用到90年代末第三代SWaP3概念的提出，紅外光電探測器正經(jīng)歷著變革性發(fā)展。

專注于陣列規(guī)模、靈敏度、分辨率等性能指標(biāo)提高的傳統(tǒng)光電探測器利用光強(qiáng)度信息進(jìn)行成像，無法滿足未來目標(biāo)多樣化、環(huán)境復(fù)雜化、任務(wù)多元化等發(fā)展需求。多維度光信息的獲取為提升紅外探測器性能提供了新途徑，除強(qiáng)度信息外，通過紅外光電探測器可以獲取光的波長、動(dòng)量、偏振和相位等本征信息，也可利用光的傳輸時(shí)間獲取光程信息。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡偉達(dá)研究員課題組在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“多維度紅外光電探測器”為主題的綜述文章。葉振華研究員主要從事紅外光電探測器件的研究工作。

這項(xiàng)研究面向多維度紅外探測發(fā)展需求，聚焦波長、偏振、光程和相位四個(gè)方面的特征，從新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面綜述了近年來多維度紅外光電探測器的研究進(jìn)展，進(jìn)而提出對多維度紅外探測器發(fā)展方向的思考和展望。

多維度紅外光電探測器

關(guān)于波長信息紅外光電探測器，傳統(tǒng)強(qiáng)度維度紅外光電探測器只針對單一譜段探測，存在目標(biāo)豐富度信息獲取不全、信息模糊等現(xiàn)象，多波長探測增加了圖像處理算法的能力，場景的物體圖像信息準(zhǔn)確性得到明顯提高，也可通過去除某一波段檢測到的不需要的背景或目標(biāo)特征，實(shí)現(xiàn)更高的有效信噪比，因此，拓展紅外光波長維度信息，成為新型多維度紅外光電探測器的重要發(fā)展方向之一。自20世紀(jì)80年代起，成像光譜儀便普遍應(yīng)用于頻率維度信息的獲取，在天文遙感、食品安全等多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。多波長信息最終實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)立方”獲取，獲得二維灰度圖像，同時(shí)也得到光譜成像信息，形成光譜切片，極大程度拓展目標(biāo)信息豐富度。

具有可擴(kuò)展吸收波長、靈敏度高、成本低的低維材料為新型紅外光電探測器的發(fā)展帶來機(jī)遇。傳統(tǒng)雙色探測器需要復(fù)雜的制冷系統(tǒng)降低暗電流，同時(shí)在外延生長時(shí)存在晶格失配、串?dāng)_等問題，無法滿足小型化、高性能發(fā)展需求。然而通過范德瓦爾斯力（vdWs）鍵合的層狀二維（2D）材料，避免了表面懸掛鍵、晶格失配等影響。

二維材料雙色探測器、量子點(diǎn)雙色探測器結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)于偏振信息紅外光電探測器，傳統(tǒng)強(qiáng)度維度紅外探測器逐步無法滿足特定場景中目標(biāo)信息探測的需求，紅外偏振信息應(yīng)用具有識別背景溫差小的目標(biāo)的優(yōu)勢，在清晰目標(biāo)輪廓、突出背景環(huán)境目標(biāo)信息和降低虛警率等方面發(fā)揮重要作用，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、海洋監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域。紅外偏振成像與探測物體表面的粗糙度有關(guān)。偏振度、偏振角、偏振橢率和消光比是紅外偏振探測器關(guān)注的主要性能參數(shù)。傳統(tǒng)的紅外偏振成像探測類別主要分為四種：分時(shí)成像法、分振幅成像法、分孔徑成像、分焦平面成像法（目前紅外偏振主流成像）。針對傳統(tǒng)紅外偏振探測器進(jìn)展主要集中于偏振片的研究和開發(fā)，無法真正意義上實(shí)現(xiàn)偏振焦平面一體化集成的問題。本研究從新結(jié)構(gòu)、材料和機(jī)理三方面進(jìn)行綜述，打破傳統(tǒng)光柵結(jié)構(gòu)限制，為紅外偏振探測開辟新途徑。

（a）傳統(tǒng)紅外成像，（b）偏振成像，（c）可見光成像，（d）紅外成像，（e）偏振成像

關(guān)于光程維度紅外光電探測器，光程信息具備測量物體距離的信息特點(diǎn)，使機(jī)器視覺成像從二維（2D）邁向三維（3D）。三維成像目前主要分為立體視覺、結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間（ToF）三種。APD在光程維度探測中扮演著至關(guān)重要的角色，針對傳統(tǒng)APD存在著高質(zhì)量材料制備要求、高噪聲等缺點(diǎn)，主要從新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、多功能三方面對新型APD進(jìn)行了討論。采用二維材料APD彈道雪崩效應(yīng)、沖擊電離結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)等實(shí)現(xiàn)低噪聲特性；通過2D/3D異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)構(gòu)等降低APD制備成本；制備MIM結(jié)構(gòu)、錐形納米線APD等實(shí)現(xiàn)偏振信息、寬廣譜信息獲??；通過零維量子點(diǎn)和一維納米線結(jié)合突破傳統(tǒng)APD雪崩結(jié)構(gòu)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)單光子探測。新型APD器件的提出，為獲取光程維度信息的發(fā)展提供新思路。

關(guān)于相位維度紅外光電探測器，傳統(tǒng)被動(dòng)目標(biāo)識別中，由于能量在路徑中存在非矢量疊加，導(dǎo)致在目標(biāo)信息獲取中容易受到路徑氣候等其他因素干擾，使其在弱目標(biāo)、高速目標(biāo)觀測中出現(xiàn)精度下降等問題。具有相位分布、攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）信息的渦旋光，得到主動(dòng)探測領(lǐng)域的關(guān)注，因其具有以下三個(gè)特點(diǎn)：遠(yuǎn)超現(xiàn)有物體運(yùn)動(dòng)的飛行速度；識別隱身目標(biāo)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力；不受傳播途徑中水汽、云霧等環(huán)境因素干擾，具有高的適應(yīng)性能。

新材料、新結(jié)構(gòu)、新理念的總結(jié)和新一代探測器的發(fā)展展望圖

多維度信息紅外光電探測器成為信息化、智能化時(shí)代的主要發(fā)展方向，本文針對傳統(tǒng)強(qiáng)度維度探測器無法滿足復(fù)雜環(huán)境需求等問題，從新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理、新材料等方面論述了近年來多維度紅外光電探測器的發(fā)展，具體體現(xiàn)在：（1）紅外光電探測器的未來發(fā)展應(yīng)結(jié)合新型材料，利用材料內(nèi)稟特性，實(shí)現(xiàn)多維度信息獲取。（2）傳統(tǒng)紅外光電探測器發(fā)展趨于集成化、規(guī)模化發(fā)展。突破定式思維，推動(dòng)新機(jī)理研發(fā)，成為未來光電探測器發(fā)展的重要趨勢之一。（3）針對傳統(tǒng)探測器結(jié)構(gòu)發(fā)展趨于瓶頸、器件成本高、器件性能仍待改善等問題，新結(jié)構(gòu)的發(fā)展成為解決問題的主要途徑之一。紅外光電探測器呈現(xiàn)集成化、低成本、微型化的發(fā)展趨勢。新材料、新原理、新結(jié)構(gòu)之間存在密不可分的聯(lián)系，相輔相成。

審核編輯 ：李倩