现代红外激光讲解

《现代红外激光讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代红外激光讲解（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、现代红外激光演示与展望,黎军 王小刚 深圳市保千里电子有限公司,第一章 绪论,1.1课程开设原因及目的 学校的教育改革加强素质教育的产物 满足社会和学生的科普的需要 1.2 课程的主要内容 红外技术及其应用 激光技术及其应用 1.3课程传授过程及方法 以讲授为主，还结合实验教学 考试方式为写论文 演示实验地点在理科楼103、105室 第16周交论文，理科楼102室。,第二章 红外技术概述,1红外辐射的基本知识 红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线，是一种客观存在的物质; 任何一个物体，只要它的温度高于 绝对零度，就要向周围空间辐射出红外线; 红外线是位于可见光中的红色光以外的光线 波长

2、范围大致在0.76m1000m; 频率大致在41014Hz31011Hz;,图2-1电磁辐射波谱,1红外辐射的基本知识 整个红外辐射通常可分成下列几个波 ： 近红外：波长范围 0.753 m; 中红外：波长范围 36 m; 远红外：波长范围 615 m; 极远红外：波长范围 151000 m.,前三个波段中的一个至少包含一个大气窗口, 最后一个波段，大气对他已基本上不透明了。 22.6m、35m、814m统称为“大气窗口,图2-2 在一海里的长度上大气的透过率曲线,2红外技术发展的历史 2.1 红外线的发现及其本质 1800年英国天文学家威赫谢耳（WHerschel）首次发现红外线； 早期对红

3、外线的研究都称之为热辐射 ； 红外线其本质为电磁波辐射 ； 研究红外辐射的折射、反射和绕射，就产生了红外技术。,2.2 世界红外技术的发展,二十世纪初，科学工作者开创了红外光谱学和精密辐射学的应用；对恒星和行星的温度进行了辐射测量；并把红外光源用于医疗过程； 1910年到1920年间出现了红外探测、保密通信、防盗预警、温度遥测等设备的专利文献； 第二次世界大战期间，红外探测、红外夜视等军用红外技术相继出现； 现代红外技术起始于1940年前后； 二战后美国在完全封闭的条件下，优先持续发展了十多年； 五十年代以来，由于封闭的打破、半导体工艺和激光技术的发展，使得红外技术得到了突飞猛进的发展； 到今

4、天，红外技术已经广泛用于工业、农业、国防、医疗、交通等方面，已逐步形成了一个相对独立的红外系统工程领域。,2.3 我国红外技术的发展,2.3.1我国红外技术的萌芽 1953年初，部分科学工作者开始做硫化铅红外探测器研究 ； 1958年秋，“55号任务”开始接触到现代红外技术； 1959年底，物理所做成一个供展览显示红外雷达原理的模型； 1960年初物理所建立了以红外探测器为主要研究方向的第九研究室。,2.3.2红外专业研究所的建立及其发展 1964年昆明物理研究所成为全国第一个确定的红外技术专业性研究所。 1964年在进一步的调整中，上海技物所转向红外研究，成为了专业的红外研究所，组成了两个红

5、外探测器的研究室、一个红外系统的研究室、一个微型致冷器和热压透红外材料研究室。 大动乱末期，国内的红外技术已达到一定的规模： 国防科工委：5个红外技术专业所； 大学：5个红外技术专门化教研室； 在地理上的分布也比较合适，华东2个，华中、西北和东北各1个； 出现了多种红外专业杂志，如激光与红外、红外与激光工程、红外技术、红外和红外与毫米波学报等等； 从1974年起举办“全国红外科学技术交流会”，每两年举办一次，至今尚在按期举行。,2.3.3当代我国红外技术的发展 我国红外探测器研制从1958年开始，至今已50多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg、InSb、PbSnTe、HgC

6、dTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 我国还在红外光谱、红外无损检测、红外遥感、红外军事等方面也取得了突出的成绩。,3红外技术的组成部分,从信息传输链的设计方案出发，把红外技术的组成可以分成发射、传输和接收三个方面： 3.1发射方面 人工：产生红外辐射，辐射调制、发射天线； 天然：各种天然的和人造的物体发射的红外辐射； 3.2传输 红外辐射的传输通常不要求通过介质，大气对它的影响；红外辐射与物质的相互作用过程中的衰减(吸收和散射)；红外光缆。,3.3接收方面 接收镜头： 辐射滤光片； 辐射探测器红外辐射能转变成电能，或者把一种波长的辐射转变为另一种波长的辐射；

7、 致冷器探测器致冷在某一确定的工作温度； 电信号处理和滤波； 信号显示。,(A) 用激光器通过大气传输； (B) 通过光导纤维传输； (C) 自然辐射中包含信息的传输； (D) 用外差方法传输(振荡信号混频，差频信号继续处理),4红外技术的地位及应用,4.1红外技术的优点 1)环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力； 2)隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰； 3)由于是靠目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光； 4)与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低，特别适用于“发

8、射后不管”的精确制导武器。,红外技术发展的革命性的变化表现在： 1)探测器的光谱响应从短波扩展到长波； 2)探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面； 3)发展了种类繁多的探测器和系统； 4)从单波段探测向多波段探测发展。 5)从室温探测器发展到制冷型探测器，再从制冷型探测器发展到室温探测器。 6)从简单的信息处理技术发展到功能复杂而强大的信息处理技术。,三大环节制约红外技术探测目标的效果: 不同的目标有不同的光谱特性， 目标和探测器之间的环境和距离， 探测系统的性能。,红外技术在未来军事技术中的应用及其其战略地位表现： 1）红外技术是国家安全依赖的主要探测技术手段； 2）红外技术应用将更加

9、广泛； 4）热成像系统与数据链结合形成信息网络； 3）红外技术是未来高技术局部战争使用的主要技术之一； 4）热成像系统与数据链结合形成信息网络。,4.2红外技术的主要应用,4.2.1、辐射测量和光谱辐射测量 在科学研究中的应用：天气观察，空气污染检测，对农业、渔业和卫生的地面勘察，行星和恒星温度的测量，行星际和恒星际物质的检测，其他行星上植物的研究，地球热平衡的测量。 在医学中的应用：表面温度的测量，器官中温度分布的研究，不解包扎而进行治疗过程的检查，呼吸的空气中和血液中的CO浓度的确定，航空和宇航医学中的温度测量。 在军事技术中的应用：地形分析，毒气探测，废气探测。 在工业中的应用：非接触测

10、温，生产过程的温度检查，机械设备和堆放材料中的危险过热警报，陆上、海上和空中运输装备的火灾报警装置，矿山和汽车工业中的CO测量仪，在电子技术、机械制造和核技术设施中探测焊接不良和有损伤的构件 。,4.2.2、能量辐射物的搜索和跟踪 在科学研究中的应用：卫星探测与跟踪，宇航装置的导航， 水平稳定器，太阳跟踪仪。 在军事技术中的应用：火箭和飞机预警，防御火箭的控制， 飞机控制，高射炮火控制仪， 遥控引爆管，飞机碰撞预警 ；,4.2.3、热象仪和夜视仪 在科学研究中的应用：发现水质污染，火山和地震研究，石油勘探，冰川研究。 在医学中的应用：肿瘤、创伤和血栓的确定，癌症早期检查，危险性中风的早期检查，

11、医学动物实验的观察。 在军事技术中的应用：驾驶员目视仪，瞄准仪，工兵眼镜，近场侦察，飞机着陆辅助器，低空飞机的地形侦察，带人或不带人飞行装置的战术前线侦察，伪装识别，卫星战略侦察。 在工业中的应用：红外透射材料的结构检验，半导体元件和集成电路的质量检查，机器设备、电站、配电设备和变电站的监督，火灾的探测和监督，土质检测，收获量的估计、，鱼群探测，暴风探测，管道监控，查找建筑物中的不良热绝缘，火灾、害虫和传染病的预报，动物行为研究，刑事侦察仪，伪造品辨认。,4.2.4、通信和遥控 在科学研究中的应用： 对宇宙飞船或在宇宙飞船之间进行视频和音频传输，天文学中距离和速度的探测。 在军事技术中的应用：

12、视频和音频信息的传输和监听，威慑武器和制导武器的指令传输，海洋、陆地和空中目标的距离和速度测量。 在工业中的应用：飞机和汽车防撞器，交通控制（计数和速度监督），航空工具着陆辅助装置，航空和计量学中的高精度测量，多频道视频传输，数据传输。,第三章 红外探测器概述,1、红外探测器 红外探测器是红外探测系统中的核心元件，它是把入射的红外辐射能转变成其它形式能量的红外辐射能转换器。 红外探测是用仪器（红外系统）接受被探测物发出或反射的红外线，从而掌握被探测物所处位置的技术。,2 红外探测器的分类 根据工作温度，可以分为低温(需要用液态He、Ne、N致冷)探测器、中温(工作温度在195200K的热电致冷

13、)探测器和室温探测器； 根据响应波长范围，可分为近红外、中红外和远红外探测器多根据结构和用途，可分为元型(单元)探测器、多元阵列(镶嵌)探测器和成像探测器。 根据探测机构（响应方式）的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。,图1， 红外探测器分类,2.1 热探测器 1） 测辐射热电偶和热电堆；利用温差电效应制成的红外探测器。 2）金属或半导体热敏电阻测辐射热器； 3）气动探测器； 4）热释电探测器；,热探测器的优缺点 热探测器的响应只依赖于吸收的辐射功率，与辐射的光谱分布无关。 热探测器响应速度的快慢决定于探测器热容量的大小和热迁移的快慢。减小热容量，增加热迁移，可以加快器件的响应速度。 热

14、探测器一般不需致冷(超导除外)而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但灵敏度低，响应速度慢。 热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。,2.2、光子探测器 1）光电子发射探测器 2）光电导探测器 3）光伏探测器 4）光磁电探测器 5）光发射Schottky势垒探测器 6）量子阱探测器(QWIP),表1 红外探测器比较,3、红外探测器的性能参数,（一） 探测器的主要工作条件 1）入射辐射的光谱分布 2）电路的频率范围 3）工作温度 4）光敏面的形状和尺寸 5）偏置情况 6）特殊工作条件,(二) 红外探测器的性能参数,1）响应度(响应率

15、) 探测器的输出信号与入射到探测器的辐射功率之比探测器的响应度R 2）探测器的响应时间（时间常数） 反映探测器响应速度的快慢 ; 当探测器受辐射照射时，输出信号上 升到稳定值的63时所需要的时间。 它表征着探测器对辐射响应的快慢， 这个参数越小越好。,3） 噪声等效功率(NFP) 当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于探测器本身的噪声电压值（即信号噪声比为1)时，所需投射到探测器上的辐射功率称作为探测器的噪声等效功率 . 它标志探测器所能探测的最小功率 ; 有的使用噪声等效温差（NEDT）作为表征该方面的性能参数。一般情况下，噪声等效温差（NEDT）越小越好。 4）探测率 取为NEP的倒数，以

16、D表示; 它表示每瓦的辐射功率所能获得的信号噪声电压比; 一般用归一化探测率-D* ,它是当探测器的敏感元具有单位面积，放大器的测量带宽为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号噪声电压比。,5）探测器的光谱响应 响应度随入射辐射波长的变化，称为探测器的光谱谱响应。,探测器的使用还要注意以下几点： (a)探测器内阻的问题； (b)探测器的接收面积； (c)探测器的响应度与辐射强度之间是否是线性关系； (d)探测器接收面上响应度是否均匀。,4 红外探测器更新换代,4.1第一代红外探测器单元和线阵列探测器 4.2第二代红外探测器TDI和凝视IRFPA探测器 1.超高集成度探测器像元的大型焦平面阵列 1）短波IRFPA ：HgCdTe阵列，InGaAs阵列； 2）中波IRFPA ：PtSi阵列 ，HgCdTe阵列 ，InSb阵列； 3）长波IRFPA ：HgCdTe阵列 ，GaAlAs/GaAs阵列， GeSiSi异质结构， 非致冷IRFPA；,2. 高性能的IRFPA：,3. 高密度小像