紅外探測新技術——量子級聯探測器

光的本質是電磁波，人類肉眼可感知的電磁波被稱為可見光，也就是眾所周知的紅橙黃綠青藍紫這七種顏色。可見光僅為整個電磁波譜中很小的一部分。那么，紅橙黃綠青藍紫的紅色之前是什么顏色呢？紫色之后又是什么顏色呢？人類無法直接感知可見光之外的電磁波，所以這兩個區域的顏色是肉眼看不到的。就好像空氣，我們看不到并不代表它不存在。所以要感知可見光之外的其他電磁波，必須借助外界手段如光電探測器來實現。

紅外光

也被稱為紅外線，是英國科學家赫歇爾于1800年在實驗室中發現的。它是波長比紅光更長的電磁波，具有明顯的熱效應，使人能感覺到而看不見。專業術語如是說——所有溫度高于絕對零度的物體，均存在紅外輻射。通俗來講就是，目前我們能夠接觸到的物體都在源源不斷的向外發射紅外光。所以，我們可以通過紅外探測的手段來觀察物體，紅外探測技術通常可用于夜視、醫療、氣體檢測、天文探測等。

電磁波譜

紅外探測器是一種對于紅外輻射進行高靈敏度感應的光電轉換器件。早期的紅外探測基于紅外輻射的熱效應，也就是紅外光的照射使得探測器溫度升高，溫度的變化使紅外探測器的物理參數發生改變，據此判斷紅外光的強弱。由于這種方法基于溫度的變化，而溫度變化是一個緩慢的過程，所以這種基于熱效應的紅外探測器的感知速度比較慢。

現代的紅外探測器大多是基于光電效應而設計的，十分類似于可見光波段的CCD或者CMOS探測器，也就是廣泛用于相機中的感光部件，差別僅僅是紅外探測器中的光電轉換像元是由能夠感受紅外光波的光電材料制成。由于光具有波粒二象性，常可將光波稱為光子。光子可直接作用于紅外探測器中的電子，使得紅外探測器輸出的電流或電壓發生直接的變化，通過對這種變化進行測試，可根據其轉化效率直接推算得到入射光的強度。這種方法基于光電效應，避開了溫度變化的過程，所以光電探測器的反應速度更迅捷。

量子級聯探測器（quantum cascade detector, QCD）是一種新型的光電探測器，于21世紀初被提出，是一種人工結構的晶體材料。量子級聯探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導體材料交替生長而成，通過能帶工程將材料的導帶設計成量子阱結構，其探測波長主要受到勢壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個比方，勢壘就好比一堵墻，量子阱就好比墻與墻之間的平地。通過調整墻的厚度、墻的高度以及墻與墻之間的距離，可以使墻之間存在各式各樣的能級分布。根據量子力學原理，能級會被束縛在墻與墻之間，不會高于墻頭。

量子級聯探測器的能帶結構和工作方式

量子級聯探測器的能級分布如上圖所示，其結構可大體分為兩部分，吸收區與輸運區。吸收區負責光子的吸收，吸收一個入射光子的同時，激發一個電子；輸運區負責使這個電子定向移動。上圖的吸收區中，一個入射的光子可以將E1能級上的電子提高至E6能級，然后輸運區的能級設計成下臺階的樣式，使該電子能夠定向移動。這個爬上去又滑下來的光電過程是不是有點似曾相識？沒錯，與大家都玩過的滑梯有異曲同工之妙！這種多個量子能級聯合組成的體系就稱為“量子級聯”。此時有人或許要問，能級不是被限制在兩個“墻”之間的嗎？那么電子又怎么能夠“穿墻而過”的呢？這里又牽涉到量子力學中的一個有趣的概念：量子隧穿效應。用量子力學的觀點來看，電子具有波動性，所以電子是有一定概率直接“穿墻而過”的，這在經典物理學中是不可思議的，但在量子力學中卻實實在在地發生著，這種現象被稱為量子隧穿效應。并且在某些特定條件下，電子的“穿墻”概率能接近100%。

量子級聯探測器這種不對稱的結構，使其表現出光伏特性，可使光激發的電子自發地單向輸運，不需要借助其他外力比如外加電場。這種光伏特性使得光電信號的輸出與采集更為便捷。無外加電場時，量子級聯探測器在無光照條件下不會產生電流（無暗電流），僅在有光子入射的情況下，才會輸出純凈的光電流。所以量子級聯探測器功耗低、發熱量低、熱負載小，可用于制備低能耗的成像芯片焦平面陣列。

基于種種優點，量子級聯探測器成為微光探測、衛星遙感、星地高速激光通信以及高對比度紅外成像等應用領域中極具前景的紅外探測器件。

目前，中國科學院上海技術物理研究所陸衛研究團隊在國際上首次研制了量子級聯探測器紅外焦平面陣列，該探測器基于GaAs/AlGaAs材料，峰值探測波長為8.5微米，位于長波紅外波段，面陣規模達到320×256（81920像素），并初步進行了紅外成像實驗。

量子級聯探測器紅外焦平面陣列對電烙鐵的紅外成像

常規相機對電烙鐵的成像

上圖是燒熱的電烙鐵的紅外成像與可見光成像。從紅外成像可明顯看出電烙鐵被燒熱，其紅外輻射明顯，頭部很亮而根部稍暗；而可見光成像基本分辨不出電烙鐵各部位有何不同。

來源：中國科學院上海技術物理研究所