[发明专利]适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面

说明书

技术领域

本发明涉及高光谱成像应用中对量子阱红外探测器的响应率进行波段选择性增强的红外焦平面探测器，具体是指等离激元微腔光耦合增强响应率的高光谱成像量子阱红外焦平面器件。

背景技术

光谱分析，尤其是红外光谱分析，能够反映被测物体的原子和分子振动的信息，揭示其微观结构和化学成分等指标，因此成为自然科学研究中的一种重要手段。光谱成像技术是一种新兴的光电成像探测技术，在探测目标物体光学强度分布的同时也探测该物体相应的光谱分布，在某种程度上类似于彩色数码照相机上的红、绿、蓝三色探测，只是光谱的波段划分要精细得多。光谱成像既有图像分辨能力，又有光谱分辨能力，能够同时快速测量和分析物体的形状和光谱构成，实现对物体的定位和结构及成分分析，在目标识别、遥感探测以及医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。

按照光谱的波段分辨能力，即波段宽度除以中心波长，表示为△λ/λ，光谱成像技术能够划分为多光谱、高光谱和超光谱等不同的成像层次。通常人们将△λ/λ～0.1的量级称为多光谱，△λ/λ～0.01量级称为高光谱，而△λ/λ～0.001量级称为超光谱，具体通过光栅分光或者是窄带滤光片来实现。从多光谱到高光谱、超光谱，波段的划分越来越细，成像的光谱分辨率也越来越高。但随之而来的问题是波段的窄化造成单一波段通道中能够到达探测器的光子数越来越少，使得探测器的响应也相应地被削弱。为了实现高光谱分辨下的高灵敏探测，必须要求相应探测器具有更高的探测能力，能够实现在入射光子数减少的情况下也具有足够的响应能力。

在红外波段，目前广泛使用的高灵敏度探测器主要有碲镉汞(HgCdTe,MCT)探测器和AlGaAs/GaAs量子阱探测器(QWIP)。QWIP器件由于在材料制备和器件工艺方面成熟稳定，具有大面积均匀性、成品率高、材料和器件关键参数可控性好等优点，特别适合于制备长波8-12μm、甚长波12-16μm波段的焦平面探测器。然而，QWIP的工作机理来自于量子阱子带间跃迁，其本征的子带能级的低态密度造成对光的吸收较弱，入射到光敏元的光子大部分不能被吸收，而是逃逸出光敏元。此外，由于子带间跃迁的量子力学选择定则，量子阱材料对垂直入射的光子不能吸收，目前QWIP焦平面器件主要通过介质光栅耦合结构改变入射光的传播方向来实现子带间跃迁的波矢匹配。由于介质光栅对光耦合不能表现共振特征，因此光耦合效率较低。为了提高QWIP器件对入射光的耦合效率，本发明人曾经设计了一种亚波长等离激元微腔耦合结构，利用其陷光效应和法布里-珀罗(F-P)共振效应能够实现QWIP器件响应率160倍的提升。相关的专利申请号为：201410546873.2，专利名称：提升光电探测器光响应的亚波长等离激元微腔光耦合结构。该结构的基本特征是由底层完整金属和顶层周期性排列的金属条块夹持中间的量子阱激活层构成，其间距在上、下金属表面近场倏逝波的范围之内，因此上、下层金属发生耦合，形成光场沿纵向均匀分布的模式。而在横向上，单个金属条块的边界形成阻抗失配的界面反射层，光场两个界面之间形成F-P共振的驻波，使入射光子陷落在该微腔中形成局域光场的集聚，并通过驻波的来回传播增大了在量子阱中的有效光程，因此从增加有效光强和延长吸收长度两个方面提升了量子阱的光吸收，使得光电响应率得到大幅提升。

在此基础上，本发明人进一步发现，能够通过改变上层金属条块的线宽调节该微腔耦合结构的共振波长。特别是，将不同共振波长的微腔耦合结构制作在同一焦平面芯片的不同像元上，则形成不同波段的选择性共振，得到选择性增强的单个像元或者是像元列。将其与高光谱成像装置中的分光器件相对应，即能够实现在确保高光谱的光谱分辨能力的前提下进行高灵敏度探测。由于整个焦平面像元阵列中所采用的光电转换激活材料是相同的，具有同一个本征的光吸收特性。而本发明所涉及的波段选择性响应增强耦合结构具有几何尺寸决定的共振波长选择性，能够被设计成共振波长在不同像元上顺序逐渐变化的结构。其结果是在同一个本征的光吸收特性上叠加一个共振增强的模式特性，并且按照高光谱划分的波段对共振波长进行调谐。入射光在经过高光谱分光元件之后，尽管到达探测器像元的总光子数由于分光而受到限制，但由于探测像元的光响应被有针对性地提高，依然能够实现在确保高光谱分辨率下的高灵敏度光谱成像探测。

发明内容