專利名稱：一種紅外焦平面成像方法及紅外焦平面芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外焦平面成像方法及紅外焦平面芯片。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的紅外焦平面技術(shù)中，光敏元芯片都是由若干通過空間上電學(xué)與光學(xué)上分離的象元組成(如HgCdTe，InSb，PtSi，GaAs/AlGaAs多量子阱等紅外焦平面器件)，焦平面的規(guī)模完全由象元數(shù)的多少?zèng)Q定，因此焦平面規(guī)模完全由當(dāng)前紅外光電子技術(shù)與微電子技術(shù)的水平?jīng)Q定。至今位于中波和長(zhǎng)波紅外窗口波段(如3-5μm和8-14μm)紅外焦平面的技術(shù)水平仍未突破516×516。而可見光或近紅外波段的Si CCD焦平面規(guī)模已超過2048×2048，而且發(fā)展勢(shì)頭很強(qiáng)，中波或長(zhǎng)波紅外焦平面規(guī)模與硅CCD焦平面規(guī)模之間的差異主要是由于中、長(zhǎng)波紅外材料及器件工藝的相對(duì)不成熟所致，同時(shí)工業(yè)界在Si基器件上投入的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于紅外器件上的投入，且還將繼續(xù)保持這種不均等的態(tài)勢(shì)，因此任何一種有可能將紅外焦平面功能轉(zhuǎn)化成由Si CCD輔助實(shí)現(xiàn)的技術(shù)都是很有實(shí)用價(jià)值的?，F(xiàn)有的高性能紅外焦平面芯片技術(shù)可分解成以下二個(gè)方面1、優(yōu)質(zhì)材料的制備該材料必須有很好的光學(xué)和電學(xué)性能，最終器件的性能是光學(xué)與電學(xué)性能的綜合表現(xiàn)，即光學(xué)性能必須保證入射的紅外光應(yīng)盡可能完全地被材料吸收并產(chǎn)生相應(yīng)的光電子，接著材料的電學(xué)性能要保證電子有足夠的平均自由程，從而可以在器件中遷移和輸出一個(gè)電信號(hào)完成將紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的任務(wù)；2、器件芯片結(jié)構(gòu)的制備這一過程需要完成可與讀出電路耦合的、在電學(xué)上相互隔離的、具有良好光電響應(yīng)的、空間上均勻分布的、各單元性能一致性好的眾多單元列陣，其中要保證擁有成千上萬個(gè)單元的列陣中各單元性能相一致是極為困難，給整個(gè)工藝的流程提出了非常嚴(yán)格的要求。
一旦上述芯片完成，照射在某一單元上紅外光引起的光電信號(hào)可以通過該單元體現(xiàn)，所以對(duì)照射在芯片上的紅外圖像而言，單元器件的尺寸決定了象元的大小，而元數(shù)的多少?zèng)Q定了空間分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有紅外焦平面器件發(fā)展有限的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種采用非線性光學(xué)方法進(jìn)行紅外信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換與讀出的紅外焦平面成像方法及紅外焦平面芯片。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種紅外焦平面成像方法，該方法包括以下步驟首先將需探測(cè)的紅外光與泵浦激光同時(shí)入射到非線性光學(xué)晶體內(nèi)，在非線性光學(xué)晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，將需探測(cè)的紅外光轉(zhuǎn)換成為可見或近紅外光，然后由硅CCD探測(cè)成像。
進(jìn)一步，所述的泵浦激光為脈沖激光，脈沖寬度為皮秒級(jí)或飛秒級(jí)，激光波長(zhǎng)為可見或近紅外波段。
進(jìn)一步，所述的泵浦激光與需探測(cè)的紅外光共線或非共線。
進(jìn)一步，所述的非線性光學(xué)晶體包括KTiOPO4、KTiOAsO4、AgGaS2、ZnGeP2，或其他中、長(zhǎng)波紅外非線性光學(xué)晶體。
一種紅外焦平面芯片，包括非線性光學(xué)晶體和硅CCD，該非線性光學(xué)晶體位于該硅CCD的感應(yīng)側(cè)。
進(jìn)一步，所述非線性光學(xué)晶體和所述硅CCD相距適當(dāng)距離。
進(jìn)一步，所述非線性光學(xué)晶體與所述硅CCD之間設(shè)有一用于將所述泵浦激光濾掉或反射掉的濾光片或反射鏡。
本發(fā)明提供的非線性光學(xué)讀出的紅外焦平面芯片的原理是當(dāng)由物體發(fā)射的波長(zhǎng)為λi的紅外光與一波長(zhǎng)為λp的可見或近紅外波段的泵浦激光同時(shí)照射到非線性光學(xué)晶體，非線性光學(xué)晶體的方向是按照波長(zhǎng)λi和λp的相位匹配方向切割，則在晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，即實(shí)現(xiàn)光參量放大過程，波長(zhǎng)為λi的紅外光被放大，并且通過非線性頻率變換過程將波長(zhǎng)為λp的光轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)為λi的紅外光和波長(zhǎng)為λs的可見或近紅外光，這些波長(zhǎng)滿足關(guān)系式λp-1＝λi-1+λs-1，如λp＝0.8μm，λi＝8μm則會(huì)有λs＝0.889μm。由非線性過程產(chǎn)生的可見或近紅外光子僅在非線性晶體上有紅外光子和激光泵浦光子同時(shí)照射的空間點(diǎn)上產(chǎn)生，為此在非線性晶體上所產(chǎn)生的由波長(zhǎng)為λs光形成的幾何圖案與紅外光子在非線性晶體上所形成的幾何圖案是完全重合的。同時(shí)由于非線性過程與所照射的紅外光強(qiáng)度成正量關(guān)系，即紅外光越強(qiáng)，非線性過程產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs光也越強(qiáng)，所以在非線性晶體上所產(chǎn)生的由波長(zhǎng)為λs光形成的圖案明暗分布也與紅外光子在非線性晶體上所形成圖案的明暗分布是完全一致的。通過這樣的過程，在非線性晶體上的紅外圖像就轉(zhuǎn)換成了由可見或近紅外光組成的圖像。這種由可見或近紅外光組成的圖像完全可以由目前市場(chǎng)上十分成熟的硅CCD成像器件進(jìn)行成像探測(cè)。
在上述過程中，非線性頻率變換的效率是至關(guān)重要的，需要采用很強(qiáng)的激光脈沖與紅外光進(jìn)行相互作用，如采用皮秒或飛秒激光作為泵浦激光，這樣的激光峰值強(qiáng)度非常高，但平均功率并不高，為此不會(huì)引起非線性晶體材料的損壞，同時(shí)很高的峰值強(qiáng)度又確保了足夠強(qiáng)的激光強(qiáng)度引發(fā)瞬時(shí)的非線性過程，形成較高的可見或近紅外光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)將非線性晶體上的紅外圖像轉(zhuǎn)換成可見或近紅外圖像，進(jìn)而可用硅CCD器件進(jìn)行探測(cè)。
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、發(fā)明可以很方便地將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見(0.4μm～0.7μm)或近紅外(0.7μm～1.1μm)光信號(hào)，從而把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)技術(shù)問題轉(zhuǎn)化成十分成熟的可見光或近紅外光波段的光電探測(cè)技術(shù)問題，并直接由硅CCD這一發(fā)展得十分成熟的器件實(shí)施光電轉(zhuǎn)化與探測(cè)；2、本發(fā)明對(duì)紅外圖像讀出的方式為光學(xué)讀出，比通常紅外焦平面的讀出電路讀出方式要簡(jiǎn)單得多，可以明確地回避在超大規(guī)模(如1024×1024規(guī)模以上)時(shí)遇到的對(duì)微電子工藝的極高要求；3、本發(fā)明芯片在接受紅外圖象時(shí)不需要分立的象元，從而不需要目前普遍的制備紅外焦平面及芯片時(shí)的象元分離技術(shù)，大大地簡(jiǎn)化了工藝環(huán)節(jié)；4、本發(fā)明在圖象成象應(yīng)用中可以有很好的均勻性，從而大大地改善作為焦平面最為重要指標(biāo)之一的均勻性特性。不同于普遍使用的紅外焦平面制備技術(shù)，本發(fā)明中的芯片均勻性將主要由材料自身性能以及SiCCD均勻性決定，而紅外非線性材料的非線性系數(shù)已有十分好的均勻性，同樣Si CCD的均勻性也遠(yuǎn)優(yōu)于紅外焦平面的均勻性；5、線性光學(xué)晶體的工作溫度為室溫，無須制冷與恒溫，這是目前所有紅外焦平面器件都不可能實(shí)現(xiàn)的，這樣本發(fā)明的紅外焦平面芯片的侍服系統(tǒng)將大大簡(jiǎn)化；6、由于非線性光學(xué)晶體自身就是用于激光頻率變換的晶體，所以其抗激光損傷能力將比傳統(tǒng)紅外焦平面器件芯片強(qiáng)很多，目前的軟殺傷武器將都不能破壞本發(fā)明中的芯片；7、由于本發(fā)明的芯片是非線性光學(xué)晶體，所以很容易加工成各種特殊的曲面，特別有利于大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，這是傳統(tǒng)紅外焦平面芯片無法實(shí)現(xiàn)的功能。
8、本發(fā)明裝置可對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行放大，有利于探測(cè)微弱紅外圖像。


圖1為本發(fā)明紅外焦平面芯片的一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖；圖2為本發(fā)明紅外焦平面芯片的另一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖；圖3為本發(fā)明紅外焦平面芯片的又一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖。
圖號(hào)說明1、非線性光學(xué)晶體；2、硅CCD；3、被探測(cè)的紅外光；4、泵浦激光；5、轉(zhuǎn)換后的可見或近紅外光；6、轉(zhuǎn)換后剩余的紅外光；7、轉(zhuǎn)換后剩余的泵浦激光；a1、泵浦激光與被探測(cè)紅外光在晶體外的夾角；a1’、泵浦激光與被探測(cè)紅外光在晶體內(nèi)的夾角；a2、轉(zhuǎn)換后的可見或近紅外光與被探測(cè)紅外光在晶體外的夾角；a2’、轉(zhuǎn)換后的可見或近紅外光與被探測(cè)紅外光在晶體內(nèi)的夾角。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明一種紅外焦平面芯片，包括非線性光學(xué)晶體1和一塊硅CCD2，該非線性光學(xué)晶體為一尺寸為10×10×5mm3的KTiOAsO4(KTA)，該晶體通光方向切割為θ＝41.3°，φ＝0°，該方向?yàn)?.532μm泵浦、產(chǎn)生3.5μm和0.63μm光的共線相位匹配方向，泵浦激光4的波長(zhǎng)λp為0.532μm，脈沖寬度為30ps；該硅CCD2與所述KTA非線性光學(xué)晶體1相距1000mm，并且使該非線性光學(xué)晶體1位于所述硅CCD的感應(yīng)側(cè)；另外，在所述硅CCD2與KTA非線性光學(xué)晶體1之間設(shè)有一濾光片8，該濾光片8可吸收0.532μm的光，透過波長(zhǎng)大于0.6μm的光。
被探測(cè)紅外光3的波長(zhǎng)λi為3.5μm，泵浦激光4的波長(zhǎng)λp為0.532μm，在使用時(shí)使被探測(cè)紅外光3與0.532μm的泵浦激光4共線，入射到所述非線性光學(xué)晶體1上，在該晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換后得到0.63μm的可見光5和剩余的紅外光6，轉(zhuǎn)換后剩余的泵浦激光7被濾光片8吸收，避免剩余泵浦激光7進(jìn)入硅CCD2而使硅CCD2被剩余泵浦激光7飽和或打壞，可見光5照射到硅CCD2上，由該硅CCD2對(duì)該信號(hào)實(shí)施探測(cè)。
使用本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，可以將被探測(cè)的3.5μm紅外光轉(zhuǎn)換為0.63μm的可見光，然后用硅CCD進(jìn)行探測(cè)，從而克服了紅外焦平面器件發(fā)展有限的缺陷，把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)轉(zhuǎn)化成十分成熟的可見波段的光電探測(cè)。
實(shí)施例2
如圖2所示，本發(fā)明一種紅外焦平面芯片，包括非線性光學(xué)晶體1和一塊硅CCD2，該非線性光學(xué)晶體1為一塊尺寸為8×8×2mm3的AgGaS2(AGS)，該晶體通光方向切割為θ＝44°，該方向?yàn)?.78μm泵浦、產(chǎn)生10μm和0.85μm光的共線相位匹配方向；該硅CCD2與所述AGS晶體1相距30mm設(shè)置，并且使該非線性光學(xué)晶體1位于所述硅CCD2的感應(yīng)側(cè)；在所述硅CCD2與AGS非線性光學(xué)晶體1之間設(shè)有一反射鏡9，該反射鏡9對(duì)0.78μm的光全反射，而使其他波長(zhǎng)的光透過。
被探測(cè)紅外光3波長(zhǎng)λi為10μm，泵浦激光4的波長(zhǎng)λp為0.78μm，脈沖寬度為150fs，在使用時(shí)，使被探測(cè)紅外光3與0.78μm的泵浦激光4共線，入射到所述AGS晶體1，在晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換后的0.85μm的近紅外光5和剩余的紅外光6，轉(zhuǎn)換后剩余的泵浦激光7被反射鏡9反射，避免剩余泵浦激光7進(jìn)入硅CCD2而使硅CCD2被剩余泵浦激光7飽和或打壞，近紅外光5照射到所述硅CCD2上，由硅CCD2對(duì)該信號(hào)實(shí)施探測(cè)。
使用本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，可以將被探測(cè)的10μm紅外光轉(zhuǎn)換為0.85μm的近紅外光然后用硅CCD探測(cè)，從而克服了紅外焦平面器件發(fā)展有限的缺陷，把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)轉(zhuǎn)化成十分成熟的近紅外波段的光電探測(cè)。
實(shí)施例3如圖3所示本發(fā)明紅外焦平面芯片包括非線性光學(xué)晶體1和一塊硅CCD2，該非線性光學(xué)晶體1為一塊尺寸為9×9×2mm3的ZnGeP2(ZGP)，該晶體通光方向切割為θ＝30°，該方向可實(shí)現(xiàn)0.816μm泵浦、產(chǎn)生3μm紅外光和1μm近紅外光的非共線相位匹配，相位匹配時(shí)，0.816μm泵浦激光與3μm紅外光成7.6°角(圖3中角a1’)，3μm紅外光和1μm近紅外光成10°角(圖3中角a2’)(非線性光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)人員均可計(jì)算出，根據(jù)任何給定紅外光和近紅外光夾角a2’，要實(shí)現(xiàn)非共線相位匹配，均可計(jì)算出相應(yīng)的晶體切割方向及泵浦激光與紅外光夾角a1’)，這時(shí)根據(jù)ZGP晶體的折射率和折射定律，可計(jì)算出泵浦激光與被探測(cè)紅外光在晶體外的夾角a1為28°，轉(zhuǎn)換后的可見或近紅外光與被探測(cè)紅外光在晶體外的夾角a2為35.2°；泵浦激光4波長(zhǎng)λp為0.816μm，脈沖寬度為100fs；該硅CCD2與所述非線性光學(xué)晶體1相距100mm，使該非線性光學(xué)晶體1位于所述硅CCD2的感應(yīng)側(cè)，并且使硅CCD2與近紅外光5的方向相互垂直。
在使用時(shí)，將波長(zhǎng)λi為3μm的被探測(cè)紅外光3與0.816μm的泵浦激光4成10°角，入射到非線性光學(xué)晶體1，在該晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換后剩余的紅外光6和1μm的近紅外光5，該近紅外光5照射到所述硅CCD2上，由硅CCD2對(duì)該信號(hào)實(shí)施探測(cè)。
使用本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，可以將被探測(cè)的3μm紅外光轉(zhuǎn)換為1μm的近紅外光，用硅CCD探測(cè)，從而克服了紅外焦平面器件發(fā)展有限的缺陷，把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)轉(zhuǎn)化成十分成熟的近紅外波段的光電探測(cè)。
另外，本發(fā)明紅外焦平面芯片中的非線性光學(xué)晶體1還可為KTiOPO4或其他中、長(zhǎng)波紅外非線性光學(xué)晶體。
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面成像方法，其特征在于該方法包括以下步驟首先將需探測(cè)的紅外光與泵浦激光同時(shí)入射到非線性光學(xué)晶體內(nèi)，在非線性光學(xué)晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，將需探測(cè)的紅外光轉(zhuǎn)換成為可見或近紅外光，然后由硅CCD探測(cè)成像。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面成像方法，其特征在于所述的泵浦激光為脈沖激光，脈沖寬度為皮秒級(jí)或飛秒級(jí)，激光波長(zhǎng)為可見或近紅外波段。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面成像方法，其特征在于所述的泵浦激光與需探測(cè)的紅外光共線或非共線。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面成像方法，其特征在于所述的非線性光學(xué)晶體包括KTiOPO4、KTiOAsO4、AgGaS2、ZnGeP2，或其他中、長(zhǎng)波紅外非線性光學(xué)晶體。
5.一種紅外焦平面芯片，其特征在于包括非線性光學(xué)晶體和硅CCD，該非線性光學(xué)晶體位于該硅CCD的感應(yīng)側(cè)。
6.如權(quán)利要求5所述的紅外焦平面芯片，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體和所述硅CCD相距適當(dāng)距離。
7.如權(quán)利要求5所述的紅外焦平面芯片，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體與所述硅CCD之間設(shè)有一用于將所述泵浦激光濾掉或反射掉的濾光片或反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外焦平面成像方法及其裝置，首先將需探測(cè)的紅外光與泵浦激光同時(shí)入射到非線性光學(xué)晶體內(nèi)，在非線性光學(xué)晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，將需探測(cè)的紅外光轉(zhuǎn)換成為可見或近紅外光，然后由硅CCD探測(cè)成像。本發(fā)明克服了紅外焦平面器件發(fā)展有限的缺陷，而提供一種用可見及近紅外波段的硅CCD探測(cè)紅外信號(hào)的非線性光學(xué)讀出的紅外焦平面芯片，把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)轉(zhuǎn)化成十分成熟的可見及近紅外波段的光電探測(cè)。
文檔編號(hào)G01J5/10GK1696622SQ20051006432
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者許祖彥, 王桂玲, 張鴻博, 孫志培, 侯瑋, 李惠青, 耿愛叢, 薄勇, 陸衛(wèi), 陳效雙, 李志鋒, 李寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所