单多元红外探测器的发展及应用.pdf

2023年 云光技术 第55卷 第1期 8 单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，信思树，尹敏杰，杨丽仙，刘 杰，闫常善，袁 俊（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）摘要：单多元红外探测器由于其制备工艺和结构简单、成本低廉，易于实现小型化和便捷性等特点，在民用和军事领域拥有广阔的应用前景。综述了国内外单多元红外探测器的研发现状，及所涉及的一些关键技术，并且对其在红外测温、光谱应用、气体探测、监测预警、军用弹道导弹、反导预警等应用领域进行详细介绍。最后进行了总结和展望，我国应该根据市场需求的不同，开发新材料，加强技术创新，研制出性能更优、竞争力更强、价格更低的单多元红外探测器。关键词：红外探测器；单元；多元 Development and Application of Single/Multi Element Infrared Detector HU Anya，YANG Xueyan，LI Zhihua，XIN Sishu，YIN Minjie，YANG Lixian，LIU Jie，YANG Min，YAN Changshan，YUAN Jun(Kunming Institute of Physics,Kunming 650223,China)Abstract:Due to its simple preparation process and structure,low cost,easy miniaturization and convenience,single/multi element infrared detectors have broad application prospects in military and civil fields.This paper reviews the research and development status of single multivariate infrared detectors at home and abroad,as well as some key technologies involved,and introduces its applications fields in detail,such as infrared temperature measurement,spectral application,gas detection,monitoring and early warning,military ballistic missiles,anti-missile early warning,etc.Finally,the summary and prospect are carried out,according to the different market demand,it is urgent to exploited new materials and strengthen technological innovation,so as to develop infrared detectors with better performance,stronger competitiveness and lower price.Key words:infrared detector,single element,multi element 0 引言 从十九世纪英国学者华伦海特发现热辐射开始，红外探测器经历了一代、二代、三代的不断发展，到如今，不同材料的单元、多元、焦平面红外探测器百花齐放，各具特色1-3。与焦平面红外探测器相比，单多元红外探测器由于其制备工艺和结构简单、成本低廉，易于实现小型化和便收稿日期：2022-11-22；修订日期：2023-05-15.作者简介：胡安亚（1996-），女，硕士，助理工程师，主要从事红外探测器研究工作，E-mail：。通信作者：袁俊（1980-），男，高级工程师，主要从事红外技术应用研究，E-mail：。单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，等 9 捷性等特点，在环境监测、医疗检测、工业探测、军事夜视等民用和军事领域同样拥有广阔的应用前景4-5。本文介绍了单多元红外探测器的国内外发展现状，然后对其应用的多个领域进行详细的综述，最后进行了总结和展望。1 单多元红外探测器的发展 1.1 国外发展现状 国外的单多元红外探测器发展较早，类型众多，材料涉及较广泛，主要集中在美国、德国、日本、波兰等发达国家6。美国 Judson 公司生产的高性能红外探测器在整个红外市场领域具有领先地位，推出的红外探测器产品众多，涉及到的材料包括 InGaAs、PbS、InAs、PbSe、InSb、Ge、HgCdTe（简写 MCT）等。该公司研发的单元器件大多数都是在室温或者热电制冷下工作，采用简单的 TO 封装，少数 InSb、Ge 和 MCT 材料的单元探测器采用液氮杜瓦制冷。TO 封装中采用的热电制冷技术是基于帕尔帖效应，热电制冷器由多个相同制冷模块组装在一起，并且分别在制冷模块的上下端焊接瓷片以构成冷面和热面，制冷模块层数有单级、二级、三级和多级，满足不同温度的需求，有效降低外部环境温度变化影响。同时由于其质量和体积较小，可以在较小封装空间中集成，结构简单、组件技术成熟、成本低廉，可以满足不同领域对于单元红外探测器性能需7。该公司研发的典型系列有：应用于光纤测试、激光二极管控制、光通信的 J16（Ge）系列；应用于气体分析、红外荧光、血液分析、辐射测量、激光老化光纤测试、激光二极管控制的 J22和 J23（InGaAs）系列；应用于激光预警、监控温度传感器的 J12（InAs）系列；应用于 NDIR 光谱、火焰光谱的 J13（PbS）系列；应用于环境气体、医用气体分析的 J14（PbSe）系列；以及响应波长随组分变化的 J15（HgCdTe）系列等。相比之下，美国 Infra Red 公司则把研究重心放在 InSb、MCT 两种材料上，涉及到单元、多元以及双色 MCT/InSb，提供液氮制冷和热电制冷等各种制冷方式的红外探测器。如表 1 所示，InSb的典型系列包括 IS-0.5（光敏面 0.5 mm0.5 mm）、IS-1.0（光敏面 1.0 mm1.0 mm）以及 IS-2.0（光敏面 2.0 mm2.0 mm），在液氮制冷条件下探测率高达 11011 cmHz1/2/W。对于 MCT 探测器，通过改变各元素之间的比例可以获得响应波段不同的器件，制冷方式主要是液氮制冷和热电制冷，热电制冷型器件又分为扩展型热电制冷、光增型热电制冷和标准型热电制冷8，主要采用TO 管壳封装，探测率达到 81010 cmHz1/2/W；液氮制冷 MCT 探测器在 25 m 响应波段内探测率达到 11011 cmHz1/2/W，在 213 m 波段内达到 51010 cmHz1/2/W，而傅里叶变换红外光谱系列（FTIR）探测器的响应波段可达 224 m，探测率同样达到 41010 cmHz1/2/W。美国 EOS 公司生产的单元探测器产品覆盖波段范围较广，根据波长分为 3 类，紫外-近红外（0.22.6 m）：InGaAs、Ge 和 Si；近红外-中波（15.5 m）：包括 InAs、InSb、PbS、PbSe、MCT；长波（840 m）：MCT、热电堆探测器9。单元 Ge 器件的响应波长为 0.81.8 m，在峰值波长 1.55 m 下的响应率为 0.85 A/W；单元 InGaAs 器件的响应波长为 11.7 m，在峰值波长 1.3 m 下的响应率为 0.9 A/W；单元热电堆的探测器的响应波长为 216 m，响应率达到 1105 V/W，噪声等效功率 NEP 低于 2109 W/Hz1/2。美国 GPD 公司研发的单元红外探测器主要是 Ge 材料的 p-n/p-i-n 型 APD 和 InGaAs 光电探测器10，此外，双色探测器还包括 Si/Ge 系列、Si/InGaAs 系列、InGaAs/InGaAs 系列，如表 2 所示。美国 AGI 公司在单元红外探测器制造方面，主要生产 PbS 和 PbSe 探测器，基本采用热电制冷，性能十分稳定，具有高可靠的密闭封装，其性能如表 3、表 4 所示。2023年 云光技术 第55卷 第1期 10 表 1 美国 Infra Red 公司部分典型红外探测器性能参数 Table 1 Some typical performance parameters of infrared detectors from Infra Red Material Model number Active area element/mm2 Resistance/k Wavelength range/m D*/(cmHz1/2/W)Package Window InSb IS-0.5 0.50.5 500 3-5 1.01011 MSL-8 MSL-12 or MDL-8 MDL-12 Sapphire IS-1.0 1.01.0 350 1.01011 IS-2.0 2.02.0 100 1.01011 HgCdTe Extended range TE cooled HgCdTe detectors MCT-6-TE3-0.25 0.250.25 100-1000 6 2.01010 3-stage TO-3/TO-66 AR coated ZnSe MCT-7.5-TE3-1.00 1.01.0 100-1000 7.5 5.0109 Optically enhanced TE cooled HgCdTe detectors OE-MCT-6-TE3-0.25 0.250.25 100-1000 6 8.01010 OE-MCT-6-TE3-1.00 1.01.0 100-1000 6 2.01010 Standard TE cooled HgCdTe detectors MCT-5-TE2-0.50 0.50.5 50-1000 2-5 2.01010 2-stage TO-3/TO-8/TO-66 Sapphire MCT-5-TE3-1.00 1.01.0 3.01010 3-stage TO-3/TO-8/TO-66 MCT-5-TE4-0.50 0.50.5 4.01010 4-Stage TO-3 Standard liquid nitrogen cooled HgCdTe detectors MCT-5-N-0.25 0.250.25 50-500 2-5 1.01011 MSL-8 MSL-12 Or MDL-8 MDL-12 Sapphire MCT-13-0.05 0.050.05 20-100 2-13 5.01010 ZnS ZnSe ARGe MCT-13-4.00 4.04.0 2.01010 FTIR-16-2.00 2.02.0 2-24 2.01010 ZnSe/W MSL-8:Side looking metal dewar-8 hour hold time MDL-8:Down looking metal dewar-8 hour hold time MSL-12 Side looking metal dewar-12 hour hold time MDL-12:Down looking metal dewar-12 hour hold time 日本滨松光子学株式会社（简称滨松集团）是全球光子技术、红外产业的领头制造商，由于发展较早，掌握的红外探测技术比较成熟，具有创新实力和技术优势，开发的材料丰富，自主研发的单多元红外探测器类型众多，主要有 InGaAs、InAsSb、InSb、InAs 等，较为成熟的是 PIN型的 InGaAs 红外器件，响应波长在 0.52.5 m 范围内，典型波长是 1.55 m，敏感元从单元到单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，等 11 16、46 等多元，采用金属封装或 TO 封装，响应率高达到 1.1 A/W。采用三级热电制冷的光导 InSb器件探测率达到 1109 cmHz1/2/W，室温工作条件下的光伏 InAsSb 器件的探测率达同样达到1109 cmHz1/2/W10。此外，还有全波长范围内响应的热电堆，采用 TO-8 金属管壳封装，典型波长是 4.55 m。表 2 GPD 公司红外探测器的性能 Table 2 Performance of infrared detectors from GPD Type Parameter Active area/mm2 Wavelength range/m Peak resp./(A/W)NEP/(pW/Hz1/2)Dark current/nA Package InGaAs LD-GAP500 0.5 1-1.7 0.95 0.008 30 TO46 LD-GAP1000-1.9 1 1-1.9 1.0 0.0013 4000 TO46 LD-GAP2000-2.0 5 2 1-2.05 1.0 0.428 10000 TO5 LD-GAP3000-2.2 3 1-2.2 1.0 0.0287 10000 TO5 LD-GAP5000-2.6 5 1-2.6 1.0 0.0203 80000 TO46 Si/Ge LD-GM8Si5-Si/Ge 5 0.4-1 0.5 0.01 2 TO5 5 1-1.8 0.6 2 10000 Si/InGaAs Si LD-90951-Si/InGaAs InGaAs 2.62.6 0.4-1 0.55 0.02 2 TO5/TO8 2 1-1.7 0.55 50.0 100 InGaAs/InGaAs InGaAs LD-9099-Si/InGaAs InGaAs 2 0.8-1.5 0.9 0.06 200 TO8 2 1.5-1.75 0.45 0.38 200 表 3 AGI 公司单元 PbS 探测器性能参数 Table 3 Performance parameters of single element PbS detectors from AGI Model Resistance/M Time constant/s D*/(cmHz1/2/W)（=0.2 m，11011）D*/(cmHz1/2/W)（=0.62 m，11011）D*/(cmHz1/2/W)（=2.0 m，11011）1A 310 400 1.52.0 1.11.5 0.60.8 1B 0.52.0 400 1.52.0 1.11.5 0.60.8 2 0.52.0 50400 0.50.6 0.71.0 0.60.8 3 0.52.0 50 0.30.4 0.40.5 0.30.4 表 4 AGI 公司单元 PbSe 探测器性能参数 Table 4 Performance parameters of single element PbSe detectors from AGI Model Electrode size Resistance/M Time constant/s D*/(cmHz1/2/W)Responsivity/(V/W)（Peak，1 kHz）1.1 1.0 mm1.0 mm 2-5 50 2109 7500 2.2 2.0 mm2.0 mm 2-5 50 2109 5000 3.2 3.0 mm3.0 mm 2-5 50 2109 2500 2023年 云光技术 第55卷 第1期 12 波兰 VIGO 公司生产的单元探测器有 13 个系列，近 70 多种型号，广泛用于红外监控、辐射测温、激光预警等。该公司致力于用结构简单、成本低廉的非制冷器件代替在中波和长波段需要液氮制冷工作的红外器件，推出了多个系列非制冷型探测器。它们拥有成熟的碲镉汞外延技术，能够根据客户需求开发出响应波段不同的 MCT 单元红外器件，目前，技术比较成熟的是典型波长为 4 m、5 m、6 m、10.6 m、12 m的非制冷红外探测器，探测率高达 1101111012 cmHz1/2/W，根据封装形式不同可分为 TO 封装非制冷型和 BNC 封装非制冷型，如图 1(a)(b)所示11。多元红外探测器主要是 PCQL 系列高速光电工作模式的四元探测器，通过调整能带间隙、优化掺杂浓度以及改进表面处理技术获得高性能，在 10.6 m 波段的探测率达到 6109 cmHz1/2/W，如图 1(c)所示。此外，除了热电制冷技术之外，VIGO 公司在单元红外探测器方面还结合了浸没透镜设计和装配技术来提高器件的输出信号，器件结构如图 2 所示，探测器敏感元与透镜以浸没的形式组合。浸没透镜的光学系统如图 3 所示，光敏元粘接在半球透镜或超半球透镜的中心位置，透镜处于物镜的焦平面上，通过折射作用使成像缩小了 n2倍或者 n4倍（n 为透镜折射率），有效光敏面积增加，等效于大幅提高了光敏元的光学吸收效率，接收到的入射辐射能量密度增加，从而提高器件的输出信号12。德国主要是 ALPHALAS、海曼 HEIMANN 和 IFW 等公司，ALPHALAS 公司在单元红外探测器方面，比较著名的是 UPD 系列的高速探测器，种类多达 54 种，灵敏度高，响应快，主要是高速 InGaAs 光电探测器和高速 Si 光电探测器13。海曼 HEIMANN 红外传感器则致力于热释电单元器件的研发，目前现有的系列包括 LHi、J 系列等14。IFW 公司成立时专注于生产紫外探测器，但是随着技术的不断积累和市场的扩大，IFW 公司也开始研制单元红外器件，关于型号和性能，还未见报道。(a)单元 TO 封装器件 (b)单元 BNC 封装器件 (c)PCQL 系列四元探测器件(a)TO packaged device (b)BNC packaged device (c)Four element detection device of PCQL series 图 1 波兰 VIGO 公司单多元红外探测器 Fig.1 Single-multi element infrared detectors from VIGO of Poland 1.2 国内发展现状 隶属于中国兵器工业集团公司的昆明物理研究所，是国内最早从事红外科学与技术研究的高新技术研究所之一，红外探测器研究工作始于 20 世纪 60 年代。InSb 红外探测器制备技术较为成熟，可以根据客户要求，有针对性设计和加工满足应用需求的 InSb 单元探测器。在 2005 年研制了应用于末敏弹目标识别和定位的热释电单元红外探测器。对于 MCT 探测器拥有较为成熟的研究技术基础，攻克了材料生长、材料磨抛、阳极氧化、材料刻蚀、电极生长等关键技术，制备的MCT 中波光导器件探测率高达 11010 cmHz1/2/W，器件的性能良好，能够满足客户需求。在 2020年开始攻关长波 MCT 探测器研制，探测率达到 1109 cmHz1/2/W。目前根据不同的客户应用需求，正在开展 MCT 光导/光伏的室温器件、MCT 热电制冷器件的研制，采用简单的 TO 封装，管壳内集成二级制冷器、三级制冷器或多级制冷器，稳定器件工作温度15。此外，InAsSb、InSbTe单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，等 13 单元红外器件参考 MCT 光子探测器的技术路线处于研发阶段。图 2 VIGO 公司采用浸没透镜装配技术的单元探测器结构 Fig.2 Structure of single element detectors with immersion lens design from IGO 图 3 浸没透镜成像光学系统：(a)半球透镜；(b)超半球透镜 Fig.3 Immersion lens imaging optical system(a)Hemispherical lens;(b)Hyperhemispherical lens 创办于 20 世纪 50 年代的中国科学院上海技术物理研究所，以红外光电技术为定位，围绕红外光电探测系统技术、红外焦平面和红外光电系统核心元部件、红外物理理论应用基础研究 3 方面开展工作。上海技物所在红外探测方面拥有过厚的实力和成熟的技术，对于单多元红外器件，它们的主要研究集中在光导/光伏 MCT 红外探测器和平面型 InGaAs 红外探测器16。针对航天用光伏 HgCdTe 红外探测，工作波段在 2.53.2 m，采用浸没透镜装配技术，储能焊 TO 管壳封装，探测器暗电流小于 9107A，漏率优于 1109 Pam3/s，器件的使用性能达到航天要求17。中波光导 HgCdTe 红外器件与光伏器件一样，采用 TO 管壳封装，内部集成热电制冷器，已经批量生产和应用，而 12.5 m 长波碲镉汞红外探测器正处于研发制备阶段。此外，InGaAs 短波红外探测器主要是单元、八元、二十四元平面型器件，利用 NIN 型 InP/InxGa1xAs/InP 外延材料闭管扩散制备，响应光谱在 0.91.68 m 波段内，单元器件探测率为 1.7109 cmHz1/2/W，多元器件峰值探测率高达 31012 cmHz1/2/W，响应率达到 1.24 A/W18。中科德芯光电感知技术有限公司一直致力于红外光电感知技术，发展自主可控的光电材料以2023年 云光技术 第55卷 第1期 14 及器件核心技术。虽然在 2020 年才成立，凭借自主的短波红外铟镓砷探测材料与器件的知识产权，具有从材料、器件、组件的全链条产品技术能力，短短的两年时间，推出的产品从单元、线列发展到面阵，型号众多。其中，单元器件主要是 InGaAs 的 SWIR 系列和 NIR 系列，如图 4 所示，性能参数如表 5 所示。SWIR-1 型的单元红外器件内部集成二级热电制冷器，光敏面直径 1 mm，采用 TO-9 管壳封装，工作温度在2060，峰值波长为 2.2 m，量子效率达到 70%，探测率高达 21011 cmHz1/2/W；SWIR-2 型的单元红外器件采用 TO-46 管壳封装，光敏面比 1 系列小，直径为0.3 mm，工作波段12.5 m，响应率大于1.2 A/W，芯片阻抗在k量级，探测率达到71010 cmHz1/2/W；NIR-2 型红外器件与 SWIR-1 型的芯片大小、封装形式一致，不同之处是 NIR-2 型的峰值波长为 1.55 m，芯片阻抗 M 量级，探测率高达 31012 cmHz1/2/W。这两种系列的单元红外器件主要应用于光谱探测分析、气体分析、水含量分析等。(a)SWIR-1 型 (b)SWIR-2 型 (c)NIR-2 型(a)SWIR-1 type (b)SWIR-2 type (c)NIR-2 type 图 4 中科德芯 InGaAs 单元探测器 Fig.4 Single InGaAs detectors of ZKDX 表 5 中科德芯 InGaAs 单元探测器性能参数 Table 5 Performance parameters of InGaAs detectors from ZKDX Model Sensitive area/mm Wavelength range/m Peak wavelength/m Resistance/Peak responsivity/(A/W)NEP/(W/Hz1/2)D*/(cmHz1/2/W)SWIR-1 1 1.0-2.5 2.2 2.5105 1.1 4.510-13 21011 SWIR-2 0.3 1.0-2.6 2.2 2.0104 1.2 4.010-13 71010 NIR-2 1 0.9-1.7 1.55 1.5109 1.1 3.010-14 31012 中华立鼎光电科技有限公司主要是研发和生产高品质 InGaAs 短波探测器，其产品从单元探测器到面阵探测器一应俱全，质量可靠，得到世界客户的广泛认可和应用。推出的单元器件主要是大光敏面 InGaAs 红外探测器，其典型器件的性能参数和封装形式如表 6 所示，光敏面面积为 1 mm2、2 mm2、3 mm2，封装有 TO CAN 和 LCC 两种形式，具有超低的暗流、高响应率和高动态阻抗，应用于 0.51.7 m 波长范围的测试仪器和光电感应系统中，如光谱分析、红外线测量、激光测距等。此外，作为我国安全基础领域自主可控的主力军之一的中电科四十四所，是声、光、电、磁及其微系统专业领域的主导者，在红外技术方面，以红外材料、器件以及应用为主，研发产品覆盖一代、二代、三代红外探测器以及新型探测器。在单多元红外探测器中，主要涉及 InGaAs光电探测器研制。综合分析，目前国外的单多元红外探测器涉及的材料较多，如 InGaAs、InAs、HgCdTe、PbS、单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，等 15 PbSe、InSb、Ge、Si 以及热释电、热电堆等，集中在美国 Judson、Infra Red、EOS、GPD、AGI、日本滨松、波兰 VIGO、德国 ALPHALAS 等公司，而国内主要是 InGaAs 和 HgCdTe，具有代表性的是昆明物理研究所、上海技术物理研究所、中科德芯光电感知技术有限公司、中华立鼎光电科技有限公司、中电科四十四所等。近几年，国内单多元红外探测器研发迅速，探测率基本能达到国外器件水平，但是相对国外来说，涉及到的材料较少，特别是 Si、Ge 等单元红外器件的研发较少。封装形式主要以 TO 金属管壳（室温工作）和液氮杜瓦（低温工作）封装为主。表 6 中华立鼎光电的大光敏面 InGaAs 单元红外探测器性能 Table 6 Performance of single element InGaAs detectors with large photosensitive area from CLPT Active area/mm Package Wavelength range/m Model No.(LAPD-)RA/(A/W)0.85 m Dark current/nA 5 V NEP/(pWHz-1/2)1.55 m 1 TO-46 0.9-1.7 1000 0.2 5 0.02 0.5-1.7 1000S 0.5 6CLCC 0.9-1.7 1000-C 0.2 0.5-1.7 1000S-C 0.5 2 TO-39 0.9-1.7 2000 0.2 10 0.04 0.5-1.7 2000S 0.5 8CLCC 0.9-1.7 2000-C 0.2 0.5-1.7 2000S-C 0.5 3 TO-39 0.9-1.7 3000 0.2 25 0.06 4CLCC 0.9-1.7 3000C 0.2 2 单多元红外探测器的应用 2.1 红外测温 铁轨红外线轴温探测系统采用非接触式红外测温技术，测试出轴箱中轴承的实时温度，并通过联网、监控和智能预报等手段对轨道轴承故障进行及时的跟踪和综合分析判断，防止由于轴承故障引发的安全事故。轴温探测系统的型号主要有 THDS-A、THDS-B、HTK-499、HTK-2000等19，系统中的红外探头采用的是适应高速列车运行的单元红外探测器件，主要有光子型和热敏型两大类19。目前，在铁轨方面应用的大量器件主要是美国 Infra Red Associates 公司和国内上海技术物理研究所的 MCT 单元红外器件，峰值波长在 45 m 之间，采用简单的 TO 非制冷封装。随后，昆明物理研究所也研发了应用于红外线轴温探测系统的三级热电制冷中波 MCT 单元器件，性能指标良好，并且提供给北京康拓红外技术股份有限公司试用。对于单元热敏红外探头，主要采用 MnCoNiO 热敏材料。为了适应铁轨的高速发展，现有能够适应 200 km/h 时速的单元热敏直流探头和适应 220 km/h 时速的单元光子交流调试探头20。2.2 气体探测 红外探测技术凭借其探测距离远、可靠性高、稳定性好、安全性高、灵敏度高以及耐高浓度可燃气体冲击等优点，成为气体探测中的研究热点。特别是工业的快速发展，易燃易爆气体的使用范围和频率大幅增加，这些气体在生产、运输、储存和使用过程中容易发生爆炸，造成严重的安全事故。非接触式的红外气体探测器采用基于大气传输理论中的本征谱带吸收原理，从发射源发射的红外光在大气中如果遇到可燃气体或可疑气体时，可燃气体会对其产生本征吸收，造成红2023年 云光技术 第55卷 第1期 16 外光在传输过程中的衰减，接受器中的光敏探测器就会输出信号。红外气体探测器根据测量的空间主要有点型、线型和面型，单元红外探测器主要应用于点型和线型，而面型主要采用热成像技术21。此外，中科院上海硅酸盐研究所研发了一款高性能热释电红外传感器，采用多通道气体探测技术，应用于成分复杂的环境污染气体和有毒有害气体的探测，探测精度低达 3 ppm，探测误差小于 0.2%F.S.，传感器输出稳定，噪声小，分辨率高，时间稳定性好22。2.3 光谱应用 当红外光的频率与化学键或官能团的振动频率一致时，会发生共振现象，使分子的偶极矩发生变化从而将能量传递给分子物质，样品吸收该频率的红外光，而当两者的振动频率不一致时，则红外光就不会被吸收。因此，不同的物质具有不同的化学键或官能团，在红外光谱上的吸收峰也各不相同，该差异的存在就能获得被测样品的信息。利用红外光谱分析技术可以有效探测物质，具有时间短、无破坏、无污染等特点，已经成功应用于采矿、食品检测、毒品检测、谷物病毒检测等众多民用领域。地质采矿中的红外光谱技术找矿是一种绿色、先进的技术，通过分析矿物热红外光谱特征，提取矿物信息，对采矿勘察具有指导作用，能够识别石英、辉石、黑云母等矿物质，具有敏感的探测能力23。红外光谱技术也是一种新兴、高效、准确的无损检测技术。例如，在转基因食品检测方面，红外反射光谱可以很快速的检测到转基因生物 DNA 结构变化和基因型变化；在肉制品检测方面，可以快速地分析检测出肉制品中的脂肪、水分、蛋白质及其他成分；在蔬菜和水果检测方面，可以自动检测桔子和桃中糖的含量；在谷物类产品检测方面，可以检测出谷物的蛋白含量、淀粉含量等24。另外，利用短波红外光谱仪可以检测小麦种子的赤霉病，利用近红外与高光谱技术可以对茶叶种类及产地进行准确、快速的鉴定25。2.4 监测预警 随着科学技术和社会信息化的快速发展，无人化管理越来越广泛地应用在各种电子监控领域。鉴于红外探测器采用非接触的方式来感应红外信号的变化，并将此变化转变成电信号，具有耗能小、成本低、易隐藏、较灵敏等优点，能较好地抗干扰能力，现已被广泛应用于各种监测预警系统中。电网系统中承担着配电、开关开合以及保护任务的开关柜是母联、电缆及架空线的重要枢纽节点，内部插头较多，潜在安全隐患较大，基于单元红外测温技术的开关柜温度在线监测系统能够对其进行实时温度的监测，根据信息数据开展相应的维护管理，使得安全性、稳定性得以提高26。一种基于 P228 型号的单元热释电红外传感器，利用蜂鸣器和发光二极管作为报警系统，成功应用于住房入侵监测系统以及防盗系统。红外监测预警技术在煤矿高压电缆温度监测的应用中能够精确、高效地对电缆温度异常及时做出报警响应，减小火灾发生的可能性，避免人员伤亡27。采用红外激光技术的车辆超高监测预警系统对过往车辆进行超高测量，把预警信息反馈给司机，避免安全事故，此外，还应用于铁路危岩落石监测预警系统。2.5 军事弹用 军事战争中的精确打击已经成为现代战争的主要作战方式之一，精确打击需要精确制导武器，作为一种灵巧作战武器的末敏弹，它的敏感器主要采用红外探测器对地面目标进行探测、识别和定位，使弹药朝着目标方向爆炸，能够实现有效识别和精确定位，命中率高、摧毁效果好。在末敏弹的“火眼金睛”中应用的主要有单元常温热释电红外探测器、J-T 制冷型长波多元红外探测器、热电制冷中波红外探测器等，它们各有优势。单元常温热释电红外器件结构简单、成本低廉，但是不能探测冷目标；J-T 制冷型长波多元红外探测器探测灵敏较好，但是系统复杂、成本较高；热电制冷中波红外探测器采用热电制冷，可探测冷目标、结构简单28。采用单元红外器件的末敏弹探测系统，仅仅是利用目标和背景热特性的不同，实现探测、识别作用，这种方式缺乏目标的具体尺寸信息，定位精度不高，因此高精度多元红外探测成为末敏弹探测技术的研究热单多元红外探测器的发展及应用 胡安亚，杨雪艳，李志华，等 17 点29。红外近空制导、反导的攻击主要采用红外导引头，红外导引头通过探测目标导弹的红外辐射以及蒙皮的红外辐射等，具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点，能够实现精确打击。红外导引头位标器中利用四元红外探测系统和锥形扫描特性获取目标的位置信息，从而实现对其跟踪和定位30。同时，应对弹道导弹、隐身战机、巡航导弹等新兴作战的威胁，采用红外探测技术的机载红外预警系统能够实现对作战目标大范围和远距离的搜索、发现、跟踪与识别，并及时发出警报。例如，舰载红外反导预警系统与雷达等组成警戒探测系统，对空中、水面的来袭导弹完成拦截和摧毁31。3 结论与展望 本文归纳整理了国内外单多元红外探测器的发展现状和应用，指出国外从事单多元红外探测器主要是美国的 JUDSON 公司、InfraRed 公司、EOS 公司、GPD 公司、波兰的 VIGO、日本滨松、德国 ALPHALAS 等公司，国内主要是昆明物理研究所、中科院上海技术物理研究所、中科德芯、中华立鼎、中电 44 所等。相比于国外，国内对于 Ge、Si 等单多元探测器涉及较少，主要集中在HgCdTe 和短波 InGaAs 探测器。单多元红外探测器在民事和军用领域都有着广阔的应用，民用领域主要是红外测温、光谱应用、气体探测、监测预警，而军事领域主要是弹道导弹和反导预警等。单多元红外探测器在发展过程中涉及到的技术主要有热电制冷、浸没透镜设计和装配等关键技术，使器件探测灵敏性提升，工作运行更加稳定，结构简单，成本低廉。单多元红外探测器的发展应该根据应用市场的需求，加强技术创新，优化芯片制备工艺，简化装配流程、加快新材料研发，加强产学研一体化，研制出性能更优、竞争力更强，价格更低，并且兼具中国特色的单多元红外探测器。参考文献：1 白丕绩.红外探测器发展历程J.云光技术,2020(2):1-5.2 Ravindra N.Infrared detector materialsJ.Microbolometers,2022:41-109.3 史衍丽.第三代红外探测器的发展与选择J.红外技术,2013,35(1):8.4 叶振华,李辉豪,王进东,等.红外光电探测器的前沿热点与变革趋势J.红外与毫米波学报,2022,41(1):25.5 程正来,肖雨,程旭华.红外探测技术的发展分析与探讨J.科技与创新,2018(7):2.6 刘武,叶振华.国外红外光电探测器发展动态J.激光与红外,2011,41(4):6.7 胡音.热电制冷器在红外探测器中的应用及发展趋势J.工业设计,2017(6):2.8 Saini A K,Singh A,Meena V S,et al.Design and development of double-layer anti-reflection coating for HgCdTe based mid-wave infrared detectorJ.Materials Science in Semiconductor Processing,2022(147):147.9 郭瑞萍,李静,孙葆森.国外红外探测器材料技术新进展J.兵器材料科学与工程,2009(3):4.10 ZHANG Xuan,JIA Qingxuan,SUN Ju,et al.High-performance midwavelength infrared detectors based on InAsSb nBn designJ.Chinese Physics B,