[發明專利]等效低溫高靈敏度紅外光譜儀

無效

• 申請號: 201210285894.4
• 申請日: 2012-08-13
• 公開（公告）號: CN102818632A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 劉惠春;楊耀
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J5/02;G01J5/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及一種紅外光譜儀，具體為一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀。

背景技術

紅外光譜是一種重要的分析方法，其廣泛應用于物理、化學、生物和醫藥的基本研究和檢測，應用于天文觀測、各種工業生產過程和大氣環境污染狀況的檢測與控制，還應用于同位素分析、等離子體熱核反應溫度測量等方面。隨著科學技術的迅猛發展，人們在紅外光譜分析方面的要求也越來越高，常規的光電探測技術已經難以滿足需求，因而急需高靈敏度探測技術的突破。

紅外探測器探測率的限制因素來源于兩個方面，一是探測器本身，其中最主要的是暗電流噪聲；另一方面是照射到探測器表面的室溫黑體輻射背景光子漲落。在不同的背景光強和工作溫度狀態，分別有一種限制因素起到主導作用。

對于一個典型的紅外探測器，其探測率-溫度依賴曲線上存在一個重要的溫度點，為背景限制溫度(也稱BLIP溫度)。當工作溫度大于BLIP溫度時，探測器工作于器件噪聲限制狀態，此時，通過降低工作溫度會使得暗電流以及暗電流噪聲迅速減小，從而快速提高探測率。在紅外光譜測量的實際應用中，人們常常利用制冷設備對光發射源和紅外探測器進行制冷來提高紅外探測的性能，例如，可以將紅外探測器置于杜瓦之中。以量子阱紅外探測器（QWIP）為例：QWIP暗電流I與溫度T之間滿足I∝exp(-E_A/k_BT)的關系（對于一個典型的中紅外QWIP，其中E_A（~250?meV）為激發能，k_B為波爾茲曼常數），將器件的工作溫度由300K室溫降低至77K，則器件的暗電流將降為300K時的萬分之一，相應的，器件噪聲將降為原來的100萬分之一，則器件信噪比將提高1000倍。

但是，一旦工作溫度低于BLIP溫度，繼續降低工作溫度就不會再有效果，因為此時探測器位于BLIP狀態，即探測器的噪聲主要來源決定于環境背景中的光子漲落，而與探測器本身的性能無關。為了獲得更高的器件性能，提高紅外探測器的探測率，就必須降低背景輻射所導致的光子漲落，通過計算可以知道，通過將背景輻射溫度從300?K降低至液氮溫度77K，可以將中紅外波段的背景輻射強度降低至原來的萬分之一以下，相應的，背景輻射所導致的噪聲也大大降低，而器件的探測率將提高100倍。若將背景輻射溫度降至液氦溫度，那么器件的信噪比將進一步顯著提高。

具體分析如下：

任何物體都不斷地輻射電磁波，具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，被稱之為熱輻射。普朗克輻射定律(Planck)給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時間、單位立體角內和單位波長間隔內輻射出的能量為：

其中λ為輻射波長?，T為黑體絕對溫度，c為光速，h為普朗克常數，k為波爾茲曼常數。

以一個5微米截止波長的QWIP為例，根據目前的技術水平，其BLIP溫度約為110?K，該工作溫度下和300K的背景輻射溫度下，探測率為10^11?瓊斯水平。將該器件置于77K的液氮杜瓦中，其探測率也和110K時相同。若將背景輻射溫度由300K降低至77?K（液氮溫度），根據黑體輻射公式，5?微米處的背景輻射強度就降為原來的5萬分之一，器件的噪聲也降至原來的萬分之一以下，器件的探測率將提高100倍以上，達到10^13?瓊斯水平。相應的，紅外光譜儀的信噪比也比常規情況提高100倍以上。

為了提高紅外光譜儀靈敏度，需要降低背景輻射溫度，一個方案是全低溫紅外光譜儀，將光譜儀各個部分（紅外光源、紅外探測器、各類透鏡、反射鏡、光譜儀掃描光機設備等）都置于低溫下。而該解決方案的缺陷在于很難將光機掃描設備全部置于低溫杜瓦之中，同時很難對其實現精確控制。

發明內容

本發明目的在于提供一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，以解決現有技術中為了提高紅外光譜儀靈敏度，需要降低背景輻射溫度，從而需要將光譜儀各個部分（紅外光源、紅外探測器、各類透鏡、反射鏡、光譜儀掃描光機設備等）都置于低溫下，而該解決方案的缺陷在于很難將光機掃描設備全部置于低溫杜瓦之中，并且很難實現對各組件的精確控制的技術性問題。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，包括：

低溫杜瓦一，用于給紅外光源降溫；

紅外光源，用于發射紅外光，位于所述低溫杜瓦一的焦點處；