基于量子点的高分辨率中红外成像全光读出关键技术研究

军事、反恐、环境监测、医学成像、空间遥感、工业控制等诸多领域，对高分辨率、快速的红外成像器件有着迫切的需求。针对目前中红外成像器件分辨率低、响应速度慢等问题，申请人在长期从事全光调制半导体量子结构与器件的研究基础上，首次提出采用高速全光调制高密度半导体量子点阵列，将中红外图像直接转化为近红外/可见光图像，从而实现中红外成像高分辨率、高速全光读出的新思想和新方法。课题将深入研究子带间光学跃迁对带间光学跃迁调制的物理机制，进一步完善半导体量子点三能级系统全光调制物理模型；突破基于量子点的中红外光对近红外/可见光直接调制、基于量子点的高分辨率中红外成像全光读出、基于量子点的红外图像光谱扫描等关键技术。为研制一种高分辨率、高速、可进行光谱扫描、低成本的中红外成像系统奠定坚实的理论基础和技术基础。该项关键技术的突破，将促进红外成像技术和相关领域的发展，具有重要的科学意义、军事价值和社会效益。

针对全光读出红外成像，深入地开展了基于量子点全光调制的理论研究工作，建立了量子点全光调制物理模型，依据该模型建立了相应的数值计算方法，并开发了相应的计算程序。从理论上对量子点全光调制特性、量子点掺杂浓度对太赫兹和中红外光作用下量子点吸收率变化的影响、中红外光频率对量子点全光调制吸收率的影响以及全光调制引起的量子点带间跃迁相位变化等进行了深入的理论研究。针对全光读取红外成像，在常用的8-14 μm红外吸收波段范围内，开展了高吸收率宽带红外吸收器理论和实验研究。建立了基于的宽带高吸收率的多层介质结构吸收器物理模型，并基于电磁场理论推导该模型对应的反射率、透射率和吸收率的理论计算公式，建立了相应的理论计算方法和优化设计方法。在此基础上，开展了高吸收率宽带红外吸收器的理论设计，实现了8-14μm范围内高吸收率，并通过商业化仿真软件COMSOL验证了该高吸收率宽带红外吸收器理论模型的正确性和有效性。研制了宽带红外吸收器样品，实验表明在8-14μm范围吸收率均在90%以上，与理论设计存在一定的差距，主要是由于加工误差引起。为了实现高分辨成像，尤其是针对现有红外镜头体积大重量大等不足，对轻量化高分辨聚焦透镜的设计理论和设计方法开展了相关研究，利用微结构对入射光的振幅、相位调控现象，通过最优化方法，设计了一种具有亚波长聚焦能力的平面聚焦透镜，该器件基本结构为双层亚波长金属狭缝，通过控制不同位置亚波长金属缝的宽度和厚度，可以实现设计焦距位置的高分辨聚焦。针对中红外波长，设计了轻量化高分辨超薄透镜，理论仿真表明该器件能实现高分辨聚焦。在实验上，在可见光波段进行了高分辨透镜的实验验证，同时也验证了我们的设计思想和方法，这为进一步研制红外波段的高分辨平面器件奠定了基础。针对全光读出高分辨红外成像实验验证，我们建立了基于全光读出的红外成像实验系统，从理论和实验上两个方面对系统的参数进行了优化，尤其是对读出光波长对红外读出灵敏度的影响、温度对全光读出红外成像的影响进行了研究。在以上基础上，开展了全光读出红外成像的实验研究，采用分辨率为8位、800x600像素的可见光相机，获得了全光读出红外图像，在1米范围内实现了对人体温度的物体进行红外成像，并获得了常温人手的红外图像。