基于波长转换的光读出室温红外探测新结构基础研究

室温红外探测有着重要的军事与民用应用潜力。目前室温红外探测器主要采用电读出，结构复杂，工艺难度大。为解决这一难题，基于光读出的探测器成为研究重点。本项目提出一种基于波长转换的光读出室温红外探测方法，利用薄膜材料的热光效应，采用集成光学与红外探测材料结合的新结构，将红外光转换到可见光波段，通过光读出完成红外响应。将研究光子与原子的能量交换、光子输运特性，建立光子能量输运模型，仿真器件结构和设计高反射膜系；建立激子吸收、声子吸收等物理过程与振动模式的关系模型，讨论结构混乱度对禁带宽度影响，研究薄膜热光效应机理及色散特性；建立杂质扩散模型，实验研究掺杂过程中杂质密度控制、杂质均匀、结构稳定的退火工艺；通过参数测试对设计研究优化和修正。以本研究成果为核心技术，可以获得灵敏度高、结构简单、低成本的室温红外探测器。且容易实现双光谱、多光谱、宽光谱红外探测。本研究对红外技术的发展和应用具有重要的意义。

项目组围绕一种基于波长转换的光读出室温红外探测新方法展开相关研究。进行了波长转换器的结构理论设计研究，在理想情况设计方案基础上考虑实际因素影响，获得器件结构并进行了优化。理论计算了波长转换器的热光响应机理和特性。提出了优化结构方案，将温度响应由0.0764nm/K提高到了0.1768nm/K，使得器件温度响应优于0.5K。.以第一性原理为基础，利用“液相冷却”的方法建立非晶硅结构模型。比较结构因子、径向分布函数以及键角分布结构特点，修正后模型对于非晶硅的结构有着相对良好的还原。计算了吸收光谱、傅里叶红外谱、折射率和消光系数等光学性质，很好地符合于测试值。研究工作是对非晶薄膜光学性能计算研究很好的开拓。.运用了单振子模型对非晶硅的热光系数进行了公式推导，讨论和分析了非晶硅的热光系数与氢含量之间的关系。首次建立了非晶硅有效折射率模型，推导出非晶硅有效折射率与薄膜组成成分的极化率关系式。推导出非晶硅薄膜有效折射率与工艺参数关系式，该关系式为F-P薄膜滤波器的工艺制作提供理论指导。研究了非晶硅热光系数的测量新方法。创新性设计并研制出了基于FILMeasure-20的薄膜热光系数测量平台。.建立杂质扩散模型，实验研究掺杂过程中杂质密度控制、杂质均匀、结构稳定的退火工艺；通过参数测试对设计研究优化和修正。在完成多周期反射膜制备工艺优化基础上，制备了波长转换器原型结构，实现设计性能。较好的完成了研究计划。以本研究成果为核心，可以获得灵敏度高、结构简单、低成本的室温红外探测器。本研究对红外技术的发展和应用具有重要的意义。