如何利用振蕩電路頻率調制實現室溫長波紅外探測與成像？

由于光子能量低，一直以來室溫下探測長波紅外（LWIR）光子都充滿挑戰。近年來，研發低成本、高性能的室溫長波紅外探測器和熱像儀是發展趨勢。據麥姆斯咨詢報道，近日，美國中佛羅里達大學（University of Central Florida，UCF）物理系教授、納米科學技術中心研究員Debashis Chanda領導的研究團隊開發出一種探測光子的新技術，覆蓋從可見光波段到無線電頻段的基本粒子，并在蜂窩通信中發揮著重要作用。

這項研究成果以“Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature”為題，發表于Advanced Functional Materials期刊。該文章第一作者為Tianyi Guo，通訊作者為Debashis Chanda。

這項技術的進步可以為各領域帶來更精確、更高效的技術，從而改善醫療成像和通信系統、提高科學研究水平，甚至可能增強安防措施。

光子探測通常依賴于電壓或電流的振幅調制（AM）。但Debashis Chand研究團隊開發出了一種通過振蕩電路頻率調制（FM）來探測光子的方法，為超靈敏光子探測鋪平了道路。

圖2 基于FM的長波紅外探測

研究人員使用了一種特殊的相變材料（PCM），當光照射這種材料時，其形態會發生變化，從而產生穩定的電節律或電路振蕩。當光照射相變材料時，節律速度或振蕩頻率會發生改變。節律變化程度取決于光的強弱，類似于人的聲音會改變收音機的聲音。

8微米至12微米波段的長波紅外探測對于天文學、氣候科學、材料分析以及安防領域極為重要。然而，由于光子能量較低，室溫長波紅外探測一直頗具挑戰，目前主要分為制冷型探測器和非制冷探測器兩大類，二者都各有其優劣勢。

雖然制冷型探測器具有出色的探測性能，但需要低溫冷卻，使其價格昂貴并限制了實用性。另一方面，非制冷探測器可以在室溫工作，但由于室溫工作時探測器的固有熱噪聲較高，其探測率低、響應速度慢。因而低成本、高靈敏度、快速響應的紅外探測器和紅外相機仍然面臨著挑戰。這也是除國防領域及特定太空應用外，制冷型紅外熱像儀未得到廣泛應用的主要原因。

對于這項研究成果，Debashis Chand解釋道：“與目前所有光子探測方案（基于電壓或電流的振幅調制-AM）不同，我們的方案中，光子入射會對振蕩電路的頻率進行調制（FM），并被探測為頻率偏移，從而實現噪聲穩定?！?/p>

圖3 室溫下該探測器在長波紅外波段的性能測試

Debashis Chand表示，“我們基于FM的方法具有出色的室溫噪聲等效功率、響應時間和探測能力，而這種基于FM的通用光子探測概念可以在基于其他相變材料的任何光譜范圍內實現?！?/p>

Debashis Chand補充道，“我們的研究成果將這種基于FM的新型探測器作為獨特的平臺，可用于創建低成本、高效率的非制冷紅外探測器和成像系統，以滿足遙感、熱成像和醫療診斷等各類應用的需要。我們堅信，利用合適的大規模封裝技術，其性能還有望進一步提升?！?/p>

圖4 基于FM的紅外成像

Debashis Chand研究團隊開發的這一概念為高靈敏度、非制冷型長波紅外探測提供了一種范式轉變，提供了噪聲限制探測器靈敏度的解決方案，這一研究成果有望成為一種新型非制冷型長波紅外探測方案，該方案具有高靈敏度、低成本，易與電子讀出電路集成等諸多優勢。

審核編輯：劉清