[發明專利]一種探測紅外輻射方法

在審

• 申請號: 201410681201.2
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104458003A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 季振國;包文浩;李鶴
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于檢測技術領域，具體涉及一種紅外輻射探測方法。

背景技術

由于紅外輻射對應的光子能量較小，因此不易采用硅基光電探測器進行探測。由于硅的禁帶寬度只有1.12eV，對應的紅外檢測上線波長大約為1100nm。因此，理論上基于光生載流子的硅基光電探測技術無法探測波長大于1100nm的紅外輻射。紅外上轉換就是把不易探測的紅外輻射轉換成較易探測的可見光進行檢測，在紅外輻射探測、生物標識與監測、藥物治療與標記，以及軍事傳感領域等方面具有潛在的應用價值。目前大多數紅外上轉換主要是利用多光子技術，轉換效率很低，實際應用價值不大。

我們在研究中發現，共摻有Dy³⁺和Eu²⁺雜質的Al₂SrO₄:(Dy,Eu)長余輝發光材料的禁帶中存在一系列接近Al₂SrO₄導帶底的Dy³⁺雜質能級，見圖1。一般情況下，進入這些能級上的電子可以停留很長的時間，但是可以通過熱激發進入Al₂SrO₄的導帶并通過Eu²⁺能級釋放而形成綠色余輝。但是，如果此時有紅外輻射，則這些雜質能級上的電子可以在紅外輻射的激發下躍遷到導帶，再通過AAl₂SrO₄:(Dy,Eu)中的Eu²⁺能級躍遷下來發射出綠光。由于這種激發效率遠遠高于室溫熱激發的效率，從而導致綠光輻射強度的增強，由此通過對綠光強度的監控即可探測到紅外輻射的存在。同時，根據綠光增強的幅度，可以計算出紅外輻射的相對強度。

發明內容

本發明針對傳統涉及多光子過程紅外上轉換效率低的缺點，提出了一種基于長余輝發光材料的紅外上轉換效應探測紅外輻射的方法。

本發明方法利用長余輝發光材料的紅外上轉換效應，把波長較長的紅外輻射轉換成波長較短的可見光，再由硅光電池或其他可見光探測器檢測，從而間接實現紅外輻射的探測。

本發明方法采用硅基光電探測器進行紅外輻射探測，硅基光電探測器的輻射入射窗口設置有紅外凸透鏡，紅外上轉換片設置在紅外凸透鏡的焦點處，并與紅外入射光路垂直；背景光源和硅光電池分別置于紅外入射光路的兩側，背景光源的出射光路與硅光電池的接收光路相交于凸透鏡的焦點處，檢測電流計與硅光電池的輸出端連接；背景光源的出射光路入射角α為30°～60°，硅光電池的接收光路出射角β為30°～60°，且α≠β；

所述的紅外入射光路為紅外凸透鏡的主光軸所在直線；

所述的紅外凸透鏡為區熔硅單晶材料透鏡，只能通過紅外光；

所述的紅外上轉換片為Al₂SrO₄(Dy,Eu)長余輝發光材料的片材，或硅基板上鍍Al₂SrO₄(Dy,Eu)長余輝發光材料膜；

所述的背景光源為發射波長為λ的發光二極管，350nm≤λ≤450nm；

所述的背景光源的出射光路入射角α為出射光路與紅外上轉換片的夾角；

所述的硅光電池的接收光路出射角β為接收光路與紅外上轉換片的夾角。

檢測時，開啟背景光源和檢測電流計，移動硅基光電探測器，當檢測電流計顯示電流增加時，表明紅外入射光路上有紅外輻射存在。

進一步，所述的硅光電池的接收光路上設置有帶通濾光片，所述的帶通濾光片的中心波長為510nm、帶寬為30nm。

本發明中，背景光源發射藍光、紫外光或藍紫光，用于激發鋁酸鍶材料中的電子，使價帶的電子躍遷進入Dy³⁺形成的淺陷阱能級。為了避免電子直接躍遷進入Al₂SrO₄(Dy,Eu)的導帶從而產生強大的背景信號，背景光源的波長大于等于350nm。硅光電池用于探測鋁酸鍶材料發射出的可見光，把光強信號轉換成電流信號。為了避免背景光源發出的光反射后直接進入硅光電池，背景光源與硅光電池互不在鏡像光路上。帶通濾光片用于濾除背景光源被Al₂SrO₄(Dy,Eu)散射后的藍光進入硅光電池，進一步降低硅光電池的背景電流。

與傳統的涉及多光子過程的紅外上轉換方法相比，本發明利用長余輝材料把紅外輻射轉換成可見光的上轉換過程效率很高，不需要大功率激光激發即可完成，可以實現對微弱紅外輻射信號的探測。

附圖說明