光子探测的新技术—基于频率调制的室温LWIR探测和成像技术
发布时间：2023-12-13 08:00:03 阅读数： 128
中佛罗里达大学研究员、纳米科学技术中心教授Debashis Chanda开发出了一种新技术，用于探测光子--从可见光到无线电频率的基本粒子，它们在蜂窝通信中发挥着重要作用。这项技术的进步可以为各个领域带来更精确、更高效的技术，从改善医疗成像和通信系统到提高科学研究水平，甚至有可能加强安全措施。
光子探测通常依赖于电压或电流振幅的变化/调制。但Chanda开发出了一种通过调节振荡电路频率来探测光子的方法，为超灵敏光子探测铺平了道路。
Chanda的方法使用了一种特殊的相变材料（PCM），当光线照射到这种材料时，它的形态会发生变化，从而产生一种保持稳定的电节律，或者说是一种稳定的电路振荡。当光子照射到这种材料上时，它就会改变节律的快慢，或者说改变振荡频率。节律的变化程度取决于光线的强弱。这项新研发成果最近发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。
图 1. 基于频率调制的LWIR探测测量装置。BS：光束分配器。ND：中性密度。资料来源：Tianyi Guo等人，《Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature》，《Advanced Functional Materials》（2023）。
8 -12 μm波长范围内的长波红外（LWIR）探测在天文学、气候科学、材料分析和安全领域极为重要。然而，由于光子的能量较低，室温下的长波红外探测一直是个难题。
目前可用的近红外探测器大致可分为两类：冷却探测器和非冷却探测器，两者都有各自的局限性。冷却探测器具有出色的探测性能，但需要低温冷却，因此价格昂贵，限制了其实际用途。另一方面，非冷却探测器可以在室温下工作，但由于室温工作时固有的热噪声较高，因此探测率低、响应速度慢。低成本、高灵敏度、快速的红外探测器/相机仍然面临着科学和技术上的挑战。这也是除国防部门和特定空间应用外，LWIR相机未得到广泛应用的主要原因。
Chanda说：目前所有的光子探测方案都是光功率改变电压或电流的振幅（调幅-AM），与之不同的是，在所提出的方案中，光子入射会对振荡电路的频率进行调制，并以频率偏移的形式被探测到，从而对噪声提供了固有对抗性，其实质是FM。
图 2. 不同像素尺寸的比较。较大的器件 显示出更高的 Vth1-Vth2，导致在相同驱动电流下振荡速度更慢。资料来源：Tianyi Guo等人，《Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature》，《Advanced Functional Materials》（2023）。
图 3. 明暗条件下的器件 I-V 曲线。VO2 薄膜明暗条件下的滞后曲线不同。通过测量器件的上升和下降时间，可以发现从一个到另一个的过渡时间是不同的。资料来源：Tianyi Guo等人，《Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature》，《Advanced Functional Materials》（2023）。
图 4. 器件大小 vs 探测能力 vs 预计响应时间。不同尺寸器件之间的比较。与 8x8µm 器件相比，器件尺寸越大，探测率越低。据估计，响应时间会随着器件的增大而增加。资料来源：Tianyi Guo等人，《Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature》，《Advanced Functional Materials》（2023）。
Chanda表示说：我们基于调频的方法具有出色的室温噪声等效功率、响应时间和探测能力。这种基于调频的通用光子探测概念可以在基于其他相变材料的任何光谱范围内实现。我们的成果将这种基于调频的新型探测器作为一个独特的平台，用于创建低成本、高效率的非制冷红外探测器和成像系统，以满足遥感、热成像和医疗诊断等各种应用的需要。我们坚信，通过适当的工业规模封装，其性能还能进一步提高。
由于噪声限制了检测灵敏度，Chanda 小组开发的这一概念为高灵敏度、非制冷型近红外探测提供了一种范式转变。这一成果有望成为一种新颖的非致冷长波红外检测方案，它灵敏度高、成本低，可与电子读出电路轻松集成。
