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反射和自發的紅外輻射，具有抗干擾性強、全天候觀測、探測距離遠、分辨率高等優點，在國防、通信、遙感、航天等領域中扮演著不可替代的角色。從20世紀40年代第一代低像素探測器的應用到90年代末第三代SWaP3概念的提出，紅外光電探測器正經歷著變革性發展。

專注于陣列規模、靈敏度、分辨率等性能指標提高的傳統光電探測器利用光強度信息進行成像，無法滿足未來目標多樣化、環境復雜化、任務多元化等發展需求。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，除強度信息外，通過紅外光電探測器可以獲取光的波長、動量、偏振和相位等本征信息，也可利用光的傳輸時間獲取光程信息。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室胡偉達研究員課題組在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“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。

這項研究面向多維度紅外探測發展需求，聚焦波長、偏振、光程和相位四個方面的特征，從新原理、新材料、新結構等方面綜述了近年來多維度紅外光電探測器的研究進展，進而提出對多維度紅外探測器發展方向的思考和展望。

多維度紅外光電探測器

關于波長信息紅外光電探測器，傳統強度維度紅外光電探測器只針對單一譜段探測，存在目標豐富度信息獲取不全、信息模糊等現象，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特征，實現更高的有效信噪比，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展方向之一。自20世紀80年代起，成像光譜儀便普遍應用于頻率維度信息的獲取，在天文遙感、食品安全等多領域發揮重要作用。多波長信息最終實現“數據立方”獲取，獲得二維灰度圖像，同時也得到光譜成像信息，形成光譜切片，極大程度拓展目標信息豐富度。

具有可擴展吸收波長、靈敏度高、成本低的低維材料為新型紅外光電探測器的發展帶來機遇。傳統雙色探測器需要復雜的制冷系統降低暗電流，同時在外延生長時存在晶格失配、串擾等問題，無法滿足小型化、高性能發展需求。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、量子點雙色探測器結構示意圖

關于偏振信息紅外光電探測器，傳統強度維度紅外探測器逐步無法滿足特定場景中目標信息探測的需求，紅外偏振信息應用具有識別背景溫差小的目標的優勢，在清晰目標輪廓、突出背景環境目標信息和降低虛警率等方面發揮重要作用，被廣泛應用于軍事、醫學、農業、海洋監測等多個領域。紅外偏振成像與探測物體表面的粗糙度有關。偏振度、偏振角、偏振橢率和消光比是紅外偏振探測器關注的主要性能參數。傳統的紅外偏振成像探測類別主要分為四種：分時成像法、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）。針對傳統紅外偏振探測器進展主要集中于偏振片的研究和開發，無法真正意義上實現偏振焦平面一體化集成的問題。本研究從新結構、材料和機理三方面進行綜述，打破傳統光柵結構限制，為紅外偏振探測開辟新途徑。

（a）傳統紅外成像，（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，使機器視覺成像從二維（2D）邁向三維（3D）。三維成像目前主要分為立體視覺、結構光和飛行時間（ToF）三種。APD在光程維度探測中扮演著至關重要的角色，針對傳統APD存在著高質量材料制備要求、高噪聲等缺點，主要從新機理、新結構、多功能三方面對新型APD進行了討論。采用二維材料APD彈道雪崩效應、沖擊電離結構異質結等實現低噪聲特性；通過2D/3D異質結、肖特基結構等降低APD制備成本；制備MIM結構、錐形納米線APD等實現偏振信息、寬廣譜信息獲??；通過零維量子點和一維納米線結合突破傳統APD雪崩結構認知，實現單光子探測。新型APD器件的提出，為獲取光程維度信息的發展提供新思路。

關于相位維度紅外光電探測器，傳統被動目標識別中，由于能量在路徑中存在非矢量疊加，導致在目標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、高速目標觀測中出現精度下降等問題。具有相位分布、攜帶軌道角動量（OAM）信息的渦旋光，得到主動探測領域的關注，因其具有以下三個特點：遠超現有物體運動的飛行速度；識別隱身目標，具有極強的抗干擾能力；不受傳播途徑中水汽、云霧等環境因素干擾，具有高的適應性能。

新材料、新結構、新理念的總結和新一代探測器的發展展望圖

多維度信息紅外光電探測器成為信息化、智能化時代的主要發展方向，本文針對傳統強度維度探測器無法滿足復雜環境需求等問題，從新結構、新機理、新材料等方面論述了近年來多維度紅外光電探測器的發展，具體體現在：（1）紅外光電探測器的未來發展應結合新型材料，利用材料內稟特性，實現多維度信息獲取。（2）傳統紅外光電探測器發展趨于集成化、規?；l展。突破定式思維，推動新機理研發，成為未來光電探測器發展的重要趨勢之一。（3）針對傳統探測器結構發展趨于瓶頸、器件成本高、器件性能仍待改善等問題，新結構的發展成為解決問題的主要途徑之一。紅外光電探測器呈現集成化、低成本、微型化的發展趨勢。新材料、新原理、新結構之間存在密不可分的聯系，相輔相成。

審核編輯 ：李倩