红外探测器概述

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1、第二童矽夕卜媒测器統述Chapter1.Outlinesofinfrareddetector1.1红外探测器的物理基础Physicalbasisofinfrareddetector本讲的主要内容:1・了解红外探测器的分类;2.了解大气窗口的基本知识;3.理解各类红外探测器的基本原理;4.掌握光子探测器和热探测器的特点。红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件,是红外系统的核心部分。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波（电磁辐射）,其短波方面的界限决定于人眼的视感，一般定为0.75微米;长波方面的界限,尚无定论。人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强

2、弱,必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来,红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏,均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量,或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体,称为响应元。此外,还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。按所利用的效应,红外探测器可分成三大类:热敏（型）红外探测器，光子（型）（或光电型）红外探测器和整流（型）红外探测器。1.简史（-History）1800年,F.W

3、.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时,他使用的是水银温度计,即最原始的热敏型红外探测器。1830年,L.诺比利利用当时新发现的温差电效应（也称塞贝克效应）,制成了一种以半金属锁和铸为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电型红外探测器（也称真空温差电偶）。其后,天从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。1880年,SP兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。1947年,M.J.E高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。在40年代,又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计,使这两种探测器的性能比

4、原来使用半金属或金属时得到很大的改进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。60年代中期,出现了热释电型探测器。它也是一种热敏型探测器,但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。最早的光电型红外探测器是利用光电子发射效应即外光电效应制成的。以Cs-（）-Ag为阴极材料的光电管（1943年出现）可以探测到1.3微米。外光电效应的响应波长难以延伸,因此,它的发展主要是近红外成像器件,如变像管。利用半导体的内光电效应制成的红外探测器，对红外技术的发展起了重要的作用。内光电效应分光电导和光生伏打两种效应。利用这些效应制成的探测器分别称为光导型红外探测器和光伏型红外探测

5、器（见光子型探测器）。在半导体中引起电导改变或产生电动势是一个激活过程,需要有一定的能量E、。因此,入射辐射的光子能量必须大于包。也就是光电型探测器有一个最长的响应波长,称为长波限,即Ac(p.m)=124A£(eV)1917年,T.W•卡斯发明T1Q光电型红外探测器,但长波限仅到1.1微米。30年代末期,德国人研究PbS光导型探测器,室温工作时长波限为3微米,液氮温度时可到5微米。第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSc光电型探测器,响应波长延伸到7微米。50年代起，由于半导体物理学的发展,光电型探测器所能探测的波长不断延伸。对于有重要技术用途的1〜13微米波段和

6、限于实验室应用的13〜1000微米波段,都有适当的光电型探测器可供使用。60年代起，又研究成Hgi-xCdxTc三元半导体红外探测器,配制不同组分x的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。整流型红外探测器也是60年代开始问世的。由于激光的出现，就有可能利用外差技术进行接收。因此，把微波波段用的结型检波器推广应用到更高的频率范围,即短毫米波和亚毫米波。比气窗口是指太阳辐射通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围。太阳光在穿过大气层时,会受到大气层对太阳光的吸收和散射影响,因而使透过大气层的太阳光能量受到衰减。但是大气层对太阳光的吸收和散射影响随太阳光的波

7、长而变化。通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有:微波波段（300〜1GHz）,热红外波段（8〜14um）,中红外波段（3.5~4um）,可见光和近红外波段（0.4〜2.5um）。1.大气窗口（atmosphericwindow）指天体辐射中能穿透大气的一些波段。由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射,只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面。按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。①光学窗口可见光波长约3000〜7000埃。波长短于3000埃的天体紫外辐射,在地