專利名稱：基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率紅外成像，并能實(shí)現(xiàn)紅外光譜掃描。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，公開的紅外成像系統(tǒng)主要是基于熱輻射計(jì)原理和光電探測(cè)原理。然而，目前兩者都無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，現(xiàn)有的紅外成像系統(tǒng)最高分辨率為1百萬(wàn)像素，并且價(jià)格昂貴?；跓彷椛溆?jì)原理紅外成像系統(tǒng)，分辨率低于1百萬(wàn)像素，響應(yīng)速度慢(約為 10_3秒);采用光電探測(cè)原理的紅外成像系統(tǒng)，如基于量子阱和量子點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)[見參考文獻(xiàn) 1-4]的光電探測(cè)器，兩者均采用電讀出方式(即紅外光照射到量子阱或者量子點(diǎn)上，產(chǎn)生自由載流子，并形成光電流或者光電壓，測(cè)量相應(yīng)的電流或者電壓獲取相應(yīng)的紅外光強(qiáng)度信號(hào))，雖然具有很快的響應(yīng)速度(可達(dá)到10_9秒以上)，但由于設(shè)計(jì)和加工工藝上的因素，難以突破1百萬(wàn)像素的分辨率。總之，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率紅外成像，更難于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率紅外成像，也難以實(shí)現(xiàn)紅外光譜掃描。這大大限制了紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。參考文獻(xiàn)
1、Liu,H. C. , Quantum Dot Infrared Photodetector. Opto—electronics review 11(1)，1-5 (2003)；
2、DongPan and Elias Toweb, Photovoltaic Quantum-dot Infrared Detectors, App 1. Phys. Lett. 76(22), 3301-3303(2000).；
3>Lucjan Jacak, Pawel Hawrylak, Arkadiusz Wojs, Quantum Dots, Springer, New York, 1998.；
4、Mitsuru Sugawara, Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots, Semiconductors and Semimetals, Volume 60, Academic Press, San Diego, USA, 1999.。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供的一種高速、高分辨率、可實(shí)現(xiàn)光譜掃描的基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來加以實(shí)現(xiàn)
基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，它包括有紅外成像光學(xué)元件、調(diào)制光束合束器、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器、光學(xué)移相器、激光光源、準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡、光學(xué)分束器、反射鏡、干涉光束合束器和近紅外光或可見光相機(jī)組成。所述系統(tǒng)中各部件的光路關(guān)系如下
所述成像系統(tǒng)分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光路分別是調(diào)制-讀出光路和參考光路；其中調(diào)、第i個(gè)導(dǎo)帶能 ，其對(duì)應(yīng)的能量
Λ與近紅外光或可見光波長(zhǎng)&,具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 由上述方案可知，本發(fā)明是采用量子點(diǎn)中的第j個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)
級(jí)I ο·〉和第k個(gè)價(jià)帶能級(jí)I冷)構(gòu)成一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)|q)、I α)和
分別依次為！^能量大小關(guān)系SicPi^ >￡&。其中能級(jí) /》與能級(jí)Ci
制-讀出光路上沿入射光傳播方向的元件依次為紅外成像光學(xué)元件、調(diào)制光束合束器、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器、光學(xué)移相器、干涉光束合束器和近紅外光或可見光相機(jī)；參考光路上沿入射光傳播方向的元件依次為激光光源、準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡、光學(xué)分束器和反射
^Ml O系統(tǒng)通過紅外成像光學(xué)元件將紅外物體成像于量子點(diǎn)折射率調(diào)制器；由激光光源產(chǎn)生近紅外光或可見光，通過準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)過光學(xué)分束器分為讀出光和參考光。所述讀出光經(jīng)過調(diào)制光束合束器與物體在量子點(diǎn)折射率調(diào)制器上的紅外像重合，通過量子點(diǎn)折射率調(diào)制器的量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)相位調(diào)制特性，紅外像的紅外光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成為讀出光的相位信號(hào)；該讀出光進(jìn)一步通過光學(xué)移相器產(chǎn)生一個(gè)附加的
(>■ +1/2 )π相位(其中η為任意整數(shù)，/7為圓周率)。所述參考光通過反射鏡、干涉光束合束器與通過光學(xué)移相器之后的讀出光重合在近紅外光或可見光相機(jī)上。通過近紅外光或可見光相機(jī)讀取參考光和讀出光的干涉光強(qiáng)，最終將讀出光攜帶的相位信號(hào)還原成為紅外圖像的光強(qiáng)信號(hào)，從而利用近紅外光或可見光相機(jī)獲取物體的紅外圖像。所述量子點(diǎn)折射率調(diào)制器是由多層高密度量子點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成的折射率調(diào)制器。其中單個(gè)量子點(diǎn)中的第j個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)| /〉、第i個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)|C7〉和第k個(gè)
價(jià)帶能級(jí)|Ffr〉構(gòu)成一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)| /〉、ICf〉和IVk其對(duì)應(yīng)的能量分別依次為
Eq Ea Erk,能量大小關(guān)系為> Eg > Ε;ζ.；其中能級(jí)I />與能級(jí)jC7丨的能量差 \Eq —￡ei )對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為&的紅外光子能量，而能級(jí)|C7〉與能級(jí)||7|〉之間的能量差 (￡Q — 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為乂、的近紅外光或可見光的光子能量；波長(zhǎng)為的紅外光入射到量子點(diǎn)上，引起能級(jí)IC7〉丨j能級(jí)ICj)間的光學(xué)躍遷，導(dǎo)致能級(jí)I Ci)與能級(jí)I視〉之間波長(zhǎng)為又.的近紅外光或可見光的折射率變化，從而改變?nèi)肷湓摿孔狱c(diǎn)波長(zhǎng)為的近紅外光或可見光的相位，該相位變化量與波長(zhǎng)為Λ的入射紅外光強(qiáng)成正比，并且紅外波長(zhǎng)的能量差(￡^對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為&的紅外光子能量，而能級(jí)與能級(jí)|Fi:>之間的
能量差(￡e; -InJ對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為Ir的近紅外光或可見光的光子能量。波長(zhǎng)為Ir的紅外光，引起能級(jí)與能級(jí)||^/>間的光學(xué)躍遷，導(dǎo)致能級(jí)|(0與能級(jí)|1'1〉之間波長(zhǎng)為/^
的近紅外光或可見光的折射率變化，進(jìn)而改變?nèi)肷湓摿孔狱c(diǎn)波長(zhǎng)為ζζ的近紅外光或可見
光的相位，從而將紅外光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外光或可見光的相位信號(hào)，通過光學(xué)干涉的方法，進(jìn)一步將相位信號(hào)轉(zhuǎn)換成為攜帶紅外光強(qiáng)信號(hào)的近紅外光(可見光)的光強(qiáng)信號(hào)，從而最終將紅外光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為近紅外光(可見光)的光強(qiáng)信號(hào)。本發(fā)明采用高密度量子點(diǎn)陣列的構(gòu)成的折射率調(diào)制器，量子點(diǎn)的密度可達(dá) IO10Cm-2,量子點(diǎn)幾何尺寸僅為幾十個(gè)納米(1納米=10_9米)，利用上述方法，可將紅外像直接轉(zhuǎn)換成為高分辨率的近紅外光(或可見光)像，進(jìn)而通過高分辨率近紅外光(可見光)相機(jī) (10)讀出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的高分辨率紅外成像。本發(fā)明利用量子點(diǎn)內(nèi)載流子的快速響應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間約為幾個(gè)納秒(1納秒=10_9 秒)，上述紅外像轉(zhuǎn)換為近紅外光(或可見光)像的時(shí)間只有幾個(gè)納秒(1納秒=10_9秒)，因此上述紅外圖像轉(zhuǎn)換成為近紅外光或可見光圖像，具有極高的空間分辨率和響應(yīng)速度。整個(gè)系統(tǒng)的分辨率和響應(yīng)速度最終取決于近紅外光(可見光)相機(jī)(10)，目前商業(yè)化的近紅外光(可見光)相機(jī)(10)的分辨率可以達(dá)到1千萬(wàn)像素以上(遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有紅外成像系統(tǒng)的1 百萬(wàn)像素分辨率)。本發(fā)明利用不同幾何尺寸的量子點(diǎn)、不同的三能級(jí)系統(tǒng)ICl)、I Cj)和I欣〉的選
擇，并利用紅外波長(zhǎng)與近紅外光(可見光)Λ,一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用不同的近紅外光(可見

光)波長(zhǎng)i，.進(jìn)行連續(xù)掃描，可以獲得不同紅外波長(zhǎng)yl的光強(qiáng)信號(hào)，在獲取高速、高分辨紅 f i
外圖像的同時(shí)，獲取圖像的紅外光譜。
tools]本發(fā)明可以通過摻雜濃度來控制量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)各能級(jí)| /〉、和|fx-〉 上的載流子分布，優(yōu)化折射率調(diào)制。綜上所述，本成像系統(tǒng)采用高密度量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)折射率調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)高速、 高分辨率、能實(shí)現(xiàn)紅外光譜掃描的紅外成像。


圖1 (a)是量子點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖1 (b)是量子點(diǎn)能級(jí)的示意圖2是量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)折射率調(diào)制的示意圖 圖3是量子點(diǎn)折射率調(diào)制器基本結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4是基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。本發(fā)明采用的量子點(diǎn)折射率調(diào)制器其制作可以采用現(xiàn)有技術(shù)，如利用分子束外延設(shè)備或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積設(shè)備，采用自組織生長(zhǎng)技術(shù)，形成多層量子點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)，其量子點(diǎn)幾何尺寸為幾十個(gè)納米、密度為101(|皿-2。如附圖1 (a)中A和B是兩種半導(dǎo)體材料，材料A為量子點(diǎn)勢(shì)壘材料，材料B為量子點(diǎn)，其中材料B的禁帶寬度小于材料A的禁帶寬度。Rxy為量子點(diǎn)B的半徑，Zw為量子點(diǎn)的高度。如附圖1(b)所示
Cl)>|C2)> |C3)>|C4)>…、|c,.7)·等為量子點(diǎn)的n個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)，|乃>、
〉、|Γ3〉、|r4〉、…、|Piw〉等為量子點(diǎn)的m個(gè)價(jià)帶能級(jí)。如圖2所示，量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)折射率調(diào)制的原理為
Ci)、I /〉和If^〉所組成的三能級(jí)系統(tǒng)，I〔7〉、為兩個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)、為
一個(gè)價(jià)帶能級(jí)，其中is LJS 關(guān)j)^\<k<m能級(jí)I O〉和能級(jí)IQ〉對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為&的紅外光，而能級(jí)和能級(jí)|Fit〉對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為/t.的近紅外光(可見光)。波
的紅外光導(dǎo)致兩個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)
的載流
子分布，進(jìn)而導(dǎo)致能級(jí)
級(jí)
匕匕
倉(cāng)和
、I (^‘>間的載流子躍遷，改變能級(jí)
對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為Xr的近紅外光(可見光)折射率改變，從而改變?cè)摻t外光(可見光)的相位，該相位變化量與入射紅外光的光強(qiáng)成正比。在給定的量子點(diǎn)中，對(duì)于給定的三能級(jí)系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的近紅外光(可見光)波長(zhǎng)I”
與紅外光波具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，選擇不同的三能級(jí)系統(tǒng)和不同的近紅外光(可見光)波長(zhǎng),可對(duì)不同紅外波長(zhǎng)Ph.的進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射紅外光的光譜掃描。
Tι對(duì)于給定的三能級(jí)系統(tǒng)，不同幾何尺寸的量子點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的近紅外光(或可見光) 波長(zhǎng)與紅外光波長(zhǎng)/L.也不相同。因此，利用不同幾何尺寸的量子點(diǎn)，采用不同的近紅外
光(或可見光)波長(zhǎng)/i ,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同紅外波長(zhǎng)Λ.的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射紅外光的光譜掃
ri描。圖3給出了量子點(diǎn)折射率調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)，其中圓點(diǎn)為量子點(diǎn)陣列(在實(shí)際應(yīng)用中，量子點(diǎn)的排列不一定是嚴(yán)格的陣列，量子點(diǎn)的幾何尺寸也不一定完全一致)，每一個(gè)量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖1 (a)所示。量子點(diǎn)幾何尺寸約為幾十個(gè)納米(1納米=10_9米)，而量子點(diǎn)的密度可達(dá)KTcm—2。量子點(diǎn)折射率調(diào)制器由若干個(gè)這樣的基本結(jié)構(gòu)(層)重疊而成，以增加紅外光對(duì)近紅外光(可見光)調(diào)制光程，從而提高相位調(diào)制的強(qiáng)度。參見圖4，利用上述的量子點(diǎn)折射率調(diào)制器，本發(fā)明提出的基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下
它包括有紅外成像光學(xué)元件1、調(diào)制光束合束器2、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器3、光學(xué)移相器 4、激光光源5、準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡6、光學(xué)分束器7、反射鏡8、干涉光束合束器9和近紅外光或可見光相機(jī)10。以上元件組成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光路分別是調(diào)制-讀出光路和參考光路。其中調(diào)制-讀出光路上沿入射光傳播方向的元件依次為紅外成像光學(xué)元件1、調(diào)制光束合束器2、 量子點(diǎn)折射率調(diào)制器3、光學(xué)移相器4、干涉光束合束器9和近紅外光或可見光相機(jī)10 ；參考光路上沿入射光傳播方向的元件依次為激光光源5、準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡6、光學(xué)分束器7和反射鏡8。本系統(tǒng)的工作原理為
紅外成像光學(xué)元件1將紅外物體0成像于量子點(diǎn)折射率調(diào)制器3上；由激光光源5產(chǎn)生的近紅外(可見光)，通過準(zhǔn)直透鏡拋物面反射鏡6準(zhǔn)直后，經(jīng)過光學(xué)分束器7分為讀出光和參考光；讀出光經(jīng)過調(diào)制光束合束器2，與物體在量子點(diǎn)折射率調(diào)制器3上的紅外像重合，由于上述量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)的相位調(diào)制特性，紅外像的紅外光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成為讀出
光(近紅外光或可見光)的相位信號(hào)，并通過光學(xué)移相器4產(chǎn)生一個(gè)附加的+相
位(其中η為任意整數(shù),/Γ為圓周率)；參考光通過反射鏡8、干涉光束合束器9與讀出光重合在近紅外光(可見光)相機(jī)10上，由近紅外光(可見光)相機(jī)10讀取參考光和讀出光的干涉光強(qiáng)，進(jìn)而將讀出光(近紅外光或可見光)攜帶的相位信號(hào)轉(zhuǎn)換成攜帶紅外光強(qiáng)信號(hào)的近紅外光(可見光)光強(qiáng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)利用近紅外光(可見光)相機(jī)獲取物體的紅外圖像。利用不同幾何尺寸的量子點(diǎn)、選擇不同的三能級(jí)系統(tǒng)|C7>、|ζ>·〉和|H〉,并利用紅外波長(zhǎng)/t與近紅外光(可見光)波長(zhǎng)/1.的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用不同的近紅外光(可見
光)波進(jìn)行連續(xù)掃描，可以獲得不同紅外波長(zhǎng)yi.的強(qiáng)度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)紅外光譜掃描， 獲取紅外成像光譜。本發(fā)明提供的基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，它可以進(jìn)行高速、高分辨率的紅外成像光譜獲取，可廣泛用于生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)刑偵、資源勘探、 環(huán)境科學(xué)、太空研究和國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，包括紅外成像光學(xué)元件(1)、調(diào)制光束合束器(2)、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)、光學(xué)移相器(4)、激光光源(5)、準(zhǔn)直透 鏡或拋物面反射鏡(6)、光學(xué)分束器(7)、反射鏡(8)、干渉光束合束器(9)和近紅外光或可 見光相機(jī)(10)；所述成像系統(tǒng)分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光路分別是調(diào)制-讀出光路和參考光路；其中調(diào) 制-讀出光路上沿入射光傳播方向的元件依次為紅外成像光學(xué)元件(1)、調(diào)制光束合束器(2)、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)、光學(xué)移相器(4)、干渉光束合束器(9)和近紅外光或可見光 相機(jī)(10)；參考光路上沿入射光傳播方向的元件依次為激光光源(5)、準(zhǔn)直透鏡或拋物面 反射鏡(6 )、光學(xué)分束器(7 )和反射鏡(8 )；所述系統(tǒng)是通過紅外成像光學(xué)元件(1)將紅外物體成像于量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)， 在紅外成像光學(xué)元件(1)和量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)之間設(shè)置調(diào)制光束合束器(2)；由激光光源(5 )產(chǎn)生近紅外光或可見光，通過準(zhǔn)直透鏡或拋物面反射鏡(6 )準(zhǔn)直后，經(jīng) 過光學(xué)分束器(7)分為讀出光和參考光；所述讀出光經(jīng)過調(diào)制光束合束器(2)與紅外物體在量子點(diǎn)折射率調(diào)制 器(3)上的紅外像重合，利用量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)的量子點(diǎn)三能級(jí)系 統(tǒng)相位調(diào)制特性，紅外像的紅外光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成為讀出光(近紅外光或可 見光)的相位信號(hào)，該讀出光進(jìn)ー步通過光學(xué)移相器(4)產(chǎn)生ー個(gè)附加的
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，其特征在 于所述量子點(diǎn)折射率調(diào)制器(3)是由多層高密度量子點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成；其中單個(gè)量子點(diǎn)中的第j個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種基于量子點(diǎn)折射率調(diào)制的全光讀出紅外成像系統(tǒng)，包括紅外成像光學(xué)元件、調(diào)制光束合束器、量子點(diǎn)折射率調(diào)制器、光學(xué)移相器、激光光源、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)分束器、反射鏡、干涉光束合束器和近紅外光(可見光)相機(jī)。其中量子點(diǎn)折射率調(diào)制器由多層高密度量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)(層)構(gòu)成，利用量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)，將紅外輻射強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的近紅外(可見光)相位信號(hào)。本發(fā)明由于采用高密度量子點(diǎn)、量子點(diǎn)幾何尺寸極小、并且量子點(diǎn)三能級(jí)系統(tǒng)折射率調(diào)制速度快，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率的紅外成像，并可通過量子點(diǎn)折射率調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外物體的光譜掃描?？蓮V泛用于生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)刑偵、資源勘探、環(huán)境科學(xué)、太空研究和國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J5/00GK102279054SQ20111013523
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者溫中泉, 陳剛, 陳李, 雷尼爾·馬丁尼 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)