基于热光效应的光学读出红外辐射探测技术研究

作     者：章旭侬 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赖建军

授予年度：2021年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光学读出 热光效应 局域表面等离激元 法布里-珀罗腔 纳粒子微腔耦合结构 

摘      要：目前对于红外探测器的研究主要分为光电探测器和热探测器两大类,但它们都受到读出电路的制约。光学读出没有读出电路的制约,但是已有的光学读出技术受读出机制和光学系统的限制在性能上与电读出器件还有较大差距。因此迫切需要新的光读出机制和实现方法。本文通过将金属纳结构的局域表面等离激元共振(LSPR)效应同法布里-珀罗(F-P)光学微腔的多模态结合在一起,利用微腔中介质的热光效应调谐金属纳结构的散射光谱,提出了利用散射可见光读出红外信号的光读出方案,并且从仿真设计,实验制备和光学测试的角度验证了该方案的可行性。本文的主要工作内容如下:(1)采用时域有限差分算法(FDTD)对不同材料、尺寸和形状的纳粒子以及纳粒子和衬底作用的LSPR特性进行了研究,并且对全介质型F-P光学腔的反射特性进行了分析,阐述了F-P腔反射谱应用的局限性。(2)对金属纳结构与F-P微腔耦合系统的LSPR散射特性进行了研究,从原理上分析了纳粒子耦合结构的作用机制和温度传感特性,并以此为基础提出了一种利用散射可见光读出红外信号的实现方案。(3)设计和制备了光学读出方案中最关键的热光调制单元。该单元由上下两层高折射率Ti O薄膜作为腔壁,高热光系数聚合物NOA73中间夹层一起组成F-P腔,上腔表面含有Al圆盘纳结构阵列作为散射粒子。实验研究了制备高质量Ti O薄膜和Al圆盘纳结构阵列的工艺参数,发现在高温、高溅射功率和低压的情况下制备的Ti O薄膜质量较好。(4)对制备出的热光调制单元进行了光学测试。验证了热光调制单元对于3.39μm的中波红外信号光有高达95%的吸收效果,并且在605～640 nm光谱范围内的温度灵敏度为0.24 nm?K,在614nm处相对光强度的变化量约为1.38%?K。同时利用3.39μm氦氖激光器测试了热光调制单元对散射可见光的调谐性能,证实了本文提出的光学读出方案的可行性,为实现红外信号的光学读出探测与成像奠定了基础。