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冷光学用大口径2 k×2 k红外探测器组件封装技术

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红外与激光工程 2024年第5期53卷 73-82页

作者：朱海勇曾智江孙闻赵振力范广宇季鹏张启庄馥隆李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行... 详细信息

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行了研究,以中波红外2 k×2 k探测器组件为研究对象,通过200 K窗口低温光学设计和低形变窗口帽支撑方式实现组件低背景杂散光抑制设计和窗口形变控制。采用SiC基板实现探测器工作温度波动控制和噪声抑制,5 min内探测器温度波动小于0.1 K,噪声等效温差(NETD)小于20 mK。为了降低引线漏热和增强引线可靠性,采用铂铱丝键合工艺,引线漏热相较于金丝和硅铝丝下降至1/10,制冷机功率由72 W降至39 W。引线随组件通过随机和正弦力学试验考核。解决了大面阵探测器封装中杂散光、大口径窗口形变、探测器噪声、引线漏热和强度等一系列问题,该组件已成功运用于某项目2 k×2 k探测器封装中。

关键词：红外探测器 2 k×2 k 铂铱丝杜瓦组件

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40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

红外与激光工程 2024年第3期53卷 41-51页

作者：王小坤陈俊林罗少博曾智江李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段... 详细信息

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al2O3载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与制冷机温度梯度为2.6 K。40 K长波双波段红外探测器冷箱杜瓦组件经过2000 h通电老练和300次开关机试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。

关键词：杜瓦冷光学量子阱二类超晶格 40 K温区

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集成透镜的多波段红外探测器组件封装技术

中国激光 2024年第13期51卷 224-232页

作者：陈俊林莫德锋蒋梦蝶朱海勇徐勤飞曾智江张晶琳杨晓阳李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

多光谱探测器的小型化和集成化已成为红外探测器的发展方向之一。针对多波段探测器集成低温光学透镜的特点,提出了一种集成透镜兼窗口的气密性封装组件结构。对同一组件多波段探测器不同焦面高精度光学配准、低形变滤光片支撑结构及防... 详细信息

多光谱探测器的小型化和集成化已成为红外探测器的发展方向之一。针对多波段探测器集成低温光学透镜的特点,提出了一种集成透镜兼窗口的气密性封装组件结构。对同一组件多波段探测器不同焦面高精度光学配准、低形变滤光片支撑结构及防光学串扰、杂散光抑制等方面进行了研究。以某项目用短波红外组件为研究对象,通过3个10元探测器拼接后与3个波段滤光片和透镜低温配准、低形变多波段滤光片窄缝拼接结构设计、杂散光分析抑制等关键技术,实现了3波段探测器与滤光片拼接精度优于±5μm,透镜与探测器配准精度优于±15μm,滤光片低温形变小于0.9278μm,多波段间无明显光学串扰,并经受住1500 h长时间通电老练以及总均方根加速度为22.0 g的随机振动和60g的冲击加速度试验考核。解决了多波段探测器小型化和集成化封装中的高精度配准、低形变滤光片支撑、防光学串扰、杂散光抑制等一系列问题。该组件已成功应用于某项目用光谱成像仪中。

关键词：探测器多通道集成技术红外探测器组件滤光片低温形变光学串扰

超大面阵红外焦平面探测器杜瓦热机结构研究(内封面文章)

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红外与激光工程 2024年第6期53卷 18-26页

作者：张阳莫德锋李俊石新民范崔李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室中国科学院大学

针对拼接式超大面阵红外焦平面探测器杜瓦封装性能要求，采用基于精密垫片的三点可调式模块结构，设计了多点耦合高导热柔性冷链结构和低应力高均温的SiC冷平台结构，并开展了探测器模块精密拼接、超大规模面阵焦面温度均匀性、大杜瓦... 详细信息

针对拼接式超大面阵红外焦平面探测器杜瓦封装性能要求，采用基于精密垫片的三点可调式模块结构，设计了多点耦合高导热柔性冷链结构和低应力高均温的SiC冷平台结构，并开展了探测器模块精密拼接、超大规模面阵焦面温度均匀性、大杜瓦组件低冷损、超大冷平台组件力学可靠性等关键技术研究。利用2 k×2 k红外探测器模块以3×3的阵列拼接，组件总规模达到6 k×6 k，利用液氮制冷采集了9个模块的温度，温度均匀性为±0.45 K，模块拼接后焦平面阵列平面度优于±10μm，在外壳为室温时获得超大杜瓦组件的漏热为7.53 W。对大组件开展的力学试验表明，XYZ三方向最低基频为557 Hz，经9 grms随机振动后，组件功能正常，未发生明显变化，满足工程化应用需求。

关键词：超大面阵红外探测器杜瓦封装热机械结构

浓度依赖的掺铕硅酸钇晶体的光学和自旋非均匀展宽

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物理学报 2024年第10期73卷 30-36页

作者：梁澎军朱天翔肖懿鑫王奕洋韩永建周宗权李传锋中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室合肥230026 合肥国家实验室合肥230088

可移动量子存储器是实现长距离量子通信的一种可行方案,该方案需要量子存储介质拥有小时量级的存储寿命.同位素提纯^(151)Eu^(3+):Y_(2)SiO_(5)晶体是实现这一应用的重要候选材料,但其较宽的非均匀展宽对其光存储效率和自旋存储寿命都... 详细信息

可移动量子存储器是实现长距离量子通信的一种可行方案,该方案需要量子存储介质拥有小时量级的存储寿命.同位素提纯^(151)Eu^(3+):Y_(2)SiO_(5)晶体是实现这一应用的重要候选材料,但其较宽的非均匀展宽对其光存储效率和自旋存储寿命都构成了显著限制.本文自主生长了不同掺杂浓度的同位素提纯^(151)Eu^(3+):Y_(2)SiO_(5)晶体,讨论了影响非均匀展宽的机制和未来进一步控制非均匀展宽的方法,为超长寿命可移动量子存储器的实现奠定了基础.

关键词：稀土掺杂晶体量子存储光学非均匀展宽自旋非均匀展宽

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一种压电驱动单屏蔽电极3维电场传感芯片

电子与信息学报 2024年第4期46卷 1513-1520页

作者：彭思敏夏善红刘向明高雅浩张洲威张巍邢学斌刘语斐毋正伟彭春荣中国科学院空天信息创新研究院传感技术联合国家重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

为降低激励电压和串扰噪声,实现高灵敏3维电场检测,该文提出一种压电驱动单屏蔽电极3维电场传感芯片。其敏感结构由1组可动屏蔽电极和4组固定感应电极构成,固定感应电极两两对称,在压电驱动结构作用下可动屏蔽电极垂直振动,4组感应电极... 详细信息

为降低激励电压和串扰噪声,实现高灵敏3维电场检测,该文提出一种压电驱动单屏蔽电极3维电场传感芯片。其敏感结构由1组可动屏蔽电极和4组固定感应电极构成,固定感应电极两两对称,在压电驱动结构作用下可动屏蔽电极垂直振动,4组感应电极在待测电场作用下产生周期性的感应电流,通过测量4组感应电极的感应电流,并经过差分求和解耦方法可分别获得x,y,z坐标轴方向的电场分量。该文通过有限元仿真设计了3维电场传感芯片结构,分析了其测量的可行性,对关键结构参数进行优化设计,并设计了敏感芯片加工工艺流程。对研制的芯片进行了实验测试,结果表明,单屏蔽电极3维电场传感芯片在0~50 kV/m电场强度范围内,x,y,z 3轴输出灵敏度分别为0.2214 mV/(kV/m),0.3580 mV/(kV/m),2.1768 mV/(kV/m),3维电场的最大测量误差小于5.3%。

关键词：单屏蔽电极 3维电场垂直振动

多通道红外中长波芯片与双透镜集成组件封装技术

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光学学报 2024年第18期 377-385页

作者：朱海勇季鹏曾智江徐勤飞陈俊林张晶琳徐琳李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室

多光谱红外探测技术能丰富遥感载荷的图像信息，提高图像的反演精度，而多透镜和多波段探测器集成封装设计能缩小光学载荷体积，同时节约制冷资源。针对多波段探测器和低温光学透镜集成封装的特点，本文设计并研制了一种双透镜和多波段... 详细信息

多光谱红外探测技术能丰富遥感载荷的图像信息，提高图像的反演精度，而多透镜和多波段探测器集成封装设计能缩小光学载荷体积，同时节约制冷资源。针对多波段探测器和低温光学透镜集成封装的特点，本文设计并研制了一种双透镜和多波段探测器集成的气密性封装组件结构。以航天某项目用多波段中长波红外组件为研究对象，对多波段中长波红外组件探测器的不同焦平面光学配准、低温滤光片支撑结构、透镜高精度光学配准和低温形变控制、防串扰和背景辐射杂散光抑制等进行了研究。通过3个红外焦平面拼接并与3波段滤光片和双透镜高精度光学配准、深低温下低形变的滤光片支架结构设计、透镜低温形变控制和组件低背景的杂散光抑制等关键技术，使组件的3波段不同焦平面探测器拼接精度优于±5μm，焦平面探测器与滤光片和透镜的光学配准精度偏差分别优于±8μm和±15μm，滤光片支架和透镜在低温下的形变得到改善，多波段间光谱串扰优于6%，串音低于5%，组件研制性能满足系统的光学成像质量和电学性能设计要求。研制后的组件通过1500 h老练试验以及鉴定级随机和正弦力学振动，已成功搭载载荷运用于某项目的光谱成像仪中。本文研究结果解决了多波段探测器与多透镜集成化封装中的高精度配准、低形变滤光片支撑、透镜光学配准和低温形变控制、防光学串扰和杂散光抑制等一系列问题。

关键词：多波段组件串音光学透镜

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InSb光栅耦合的太赫兹表面等离激元共振传感方法

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物理学报 2024年第9期73卷 287-296页

作者：陈钇成张成龙张丽超祁志美中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的–1和+1级... 详细信息

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的–1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP.由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP,本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系.仿真结果表明:InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小;当光栅周期为120μm、入射角为30°时,折射率灵敏度为1.05 THz/RIU,在此条件下,传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应,究其原因是,低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸,致使两者相互作用不足.为了探测生物分子,仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法.多孔薄膜具有分子富集作用,能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度,从而提高传感器的生物检测灵敏度.以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明,当InSb光栅表面覆盖厚度为120μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后,其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数.

关键词：太赫兹表面等离激元共振 InSb光栅生化传感多孔材料

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平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析

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机械工程学报 2024年第5期60卷 241-248页

作者：赵承伟张文豪龚天诚张逸云王长涛罗先刚中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室成都610209 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室成都610209 中国科学院大学北京100049

在平面光学元件加工和应用中,采用真空吸附方式进行装载,具有快速、稳定的优势,而真空吸附对平面光学元件的面形影响不可忽视。基于有限元分析方法,针对功能窗口限制、倒立装载等特殊需求,对真空吸盘气道进行优化设计,并通过实验对真空... 详细信息

在平面光学元件加工和应用中,采用真空吸附方式进行装载,具有快速、稳定的优势,而真空吸附对平面光学元件的面形影响不可忽视。基于有限元分析方法,针对功能窗口限制、倒立装载等特殊需求,对真空吸盘气道进行优化设计,并通过实验对真空吸盘的实际效果进行分析。实验结果表明,在吸盘不锁紧状态下吸附,平面光学元件在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内,面形PV分别为1.2 nm、5.1 nm和20.8 nm。在此基础上,论文进一步分析了装载平台平整度、吸盘装载方式和吸盘锁紧力对吸附结果的影响,结果表明:平面光学元件吸面型随着装载平台平整度的提升而提升;装载平台平整度2μm条件下,采用四螺钉、2.5 N·m扭矩进行边沿固定,吸附效果达到最好,在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内,面形PV平均值分别为7.8 nm、27.7 nm和114.2 nm,装载重复性标准差为0.93 nm、3.2 nm和10.6 nm。

关键词：真空吸附气道优化有限元分析面形测量扭矩控制