月亮里是否真的有廣寒宮？每當(dāng)夜幕來(lái)臨、皓月升空，相信你一定也跟凌小云一樣有過(guò)類(lèi)似的疑問(wèn)。天文學(xué)家卡爾.薩根曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“每個(gè)人在他們幼年的時(shí)候都是科學(xué)家,因?yàn)槊總€(gè)孩子都和科學(xué)家一樣,對(duì)自然界的奇觀滿懷著好奇和敬畏。”

如今，紅外光譜技術(shù)的快速發(fā)展，把原本神秘的天體一點(diǎn)點(diǎn)拉近到眼前，真真正正讓我們開(kāi)始看到頭頂?shù)男强眨瑹o(wú)論是恒星、行星還是星云...今天，就來(lái)了解下紅外探測(cè)在夜天文研究的應(yīng)用。干貨多多，天文工作者、天文愛(ài)好者們不要錯(cuò)過(guò)哦！

▲紅外星系圖，經(jīng)過(guò)偽彩處理

紅外探測(cè)是通過(guò)觀測(cè)目標(biāo)與背景之間的紅外輻射差值來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的區(qū)分。我們知道，天體到達(dá)地球表面的輻射能量一半左右屬于紅外輻射，然而在通過(guò)大氣層的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衰減。這是由于大氣中包含 H2O、CO2 等氣體，以及灰塵、煙霧、云等懸浮物，它們對(duì)紅外輻射有強(qiáng)烈的散射和吸收，導(dǎo)致紅外傳輸?shù)乃p，這也是影響近紅外譜段地基天文觀測(cè)的主要噪聲來(lái)源。那么，天文學(xué)家們是如何觀測(cè)到來(lái)自宇宙深處天體的暗淡星光呢？這里就不得不提下“大氣窗口”了。

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紅外輻射吸收較弱，透過(guò)率較高的區(qū)域，也被稱(chēng)為“大氣窗口”。從下圖中可以看到，在1.17~2.31um存在J,H,K三個(gè)近紅外大氣窗口，或是在地面大氣窗口2.5~5um波段。

?大氣透過(guò)率與波長(zhǎng)曲線及分子吸收光譜圖

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近紅外波段的定義圖，J：1170nm~1330nm；H：1490nm~1780nm；K：1990nm~2310nm

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當(dāng)探測(cè)器響應(yīng)波段與光譜范圍較好吻合時(shí)，探測(cè)器能獲得目標(biāo)更多的輻射能量。目前，在JHK波段上具有探測(cè)優(yōu)勢(shì)的探測(cè)器器件主要有制冷MCT器件以及InGaAs器件。

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先來(lái)認(rèn)識(shí)一下MCT。

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MCT (HgCdTe，碲鎘汞) 這種材料研制的探測(cè)器幾乎可以覆蓋所有重要的紅外大氣窗口，可用于1-3μm 波段的紅外探測(cè)。此外 HgCdTe 材料還具有許多可貴的性質(zhì)，HgCdTe 材料制備的紅外探測(cè)器在短波紅外波段也有較好的性能。例如探測(cè)器噪聲低，探測(cè)率高；介電常數(shù)小，減小了器件電容，提高了頻率響應(yīng)；電子遷移率高；載流子壽命長(zhǎng)；本征躍遷，吸收系數(shù)大，量子效率高；表面生長(zhǎng)的氧化物化學(xué)穩(wěn)定，可得到表面態(tài)密度低的半導(dǎo)體—氧化物界面；熱膨脹系數(shù)比較接近硅，易于制造與硅 CCD混成的陣列器件等。

推薦一個(gè)J H K波段的MCT探測(cè)器器件：C-RED ONE，專(zhuān)門(mén)針對(duì)夜天文應(yīng)用，為迎合具體響應(yīng)波段需求并保證量子效率，J,H,K波段相應(yīng)制冷濾光片可定制。

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制冷MCT C-RED ONE器件優(yōu)點(diǎn)：

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• 一機(jī)實(shí)現(xiàn)1~2.5um全譜段覆蓋、大于70%量子效率，選配H/K波段增透鍍膜選項(xiàng)，進(jìn)一步降低客戶(hù)集成繁瑣度；

• 80K/ -193℃深度制冷——小于1e-噪聲；

• 24μm大像元——高靈敏度；

• eAPD MCT雪崩增益提升探測(cè)率(C-RED ONE 相機(jī)特有功能)

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C-RED One量子效率及溫度關(guān)系圖

C-RED ONE 在H K波段下增透膜透過(guò)率

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再來(lái)了解一下InGaAs。

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InGaAs是制造短波紅外探測(cè)器的主要材料之一，隨著InGaAs材料和芯片制作工藝的不斷成熟，相較于其他材料，采用InGaAs材料制備的探測(cè)器由于高量子效率、高遷移率、高探測(cè)率、低成本等優(yōu)勢(shì)，是目前短波紅外探測(cè)器的很好選擇。InGaAs器件優(yōu)點(diǎn)：

1. 在1~2.3um相應(yīng)較高、探測(cè)率高——可獲得最佳的信號(hào)相應(yīng)；

2. 有多種截止波長(zhǎng)的子型號(hào)探測(cè)器，常溫下覆蓋更多譜段（如C-RED 2 和C-RED 2 ER）;

3. 配合制冷到-40℃下可實(shí)現(xiàn)較低的噪聲，相應(yīng)譜段向左移動(dòng)，但噪聲更低；

4. 響應(yīng)波段越長(zhǎng)噪聲越大、暗電流越大，所以有必要選配濾光片；

5. 片上制冷體積小，易于安裝到復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中；

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C-RED 2量子效率及溫度關(guān)系圖

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C-RED 2 ER1.9um 量子效率及溫度關(guān)系圖

C-RED 2 ER 2.2um量子效率及溫度關(guān)系圖

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想要深入研究夜天文，選擇合適的J H K波段的探測(cè)器器件還只是第一步，我們還需要一套行之有效的JHK波段天文系統(tǒng)。下圖是西藏阿里和南極昆侖站-系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方案，響應(yīng)波長(zhǎng)覆蓋J H K波段。

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?西藏阿里和南極昆侖站-系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方案

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總體框架圖

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可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體遵循了三個(gè)原則：

1. 系統(tǒng)需考慮集成化、簡(jiǎn)潔化，體積小、易于安裝；

2. 為符合三個(gè)譜段J H K，不同譜段采用獨(dú)立濾光片；

3. 不同波長(zhǎng)需調(diào)整探測(cè)器位置，使探測(cè)器處于光路焦平面上。

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J H K波段天文系統(tǒng)內(nèi)部模塊關(guān)系圖

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需要注意的是，當(dāng)探測(cè)波段為K時(shí)、亦或?yàn)樘嵘旁氡龋瑸榕懦肷涔夂铜h(huán)境中熱輻射對(duì)成像的噪聲影響，從鏡筒部分必須制冷。另外，標(biāo)準(zhǔn)黑體為可拆卸，一旦標(biāo)定結(jié)束可移開(kāi)，且J H K的黑體要求是通用的。

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探索浩瀚未知的宇宙，解碼自然演化的奧秘，凌云光在天文應(yīng)用方向擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，不止提供紅外探測(cè)器，也提供相應(yīng)解決方案，希望能夠高效助力紅外天文的觀測(cè)研究，真正推動(dòng)紅外天文觀測(cè)研究多出結(jié)果、出好成果，逐夢(mèng)紅外世界的星辰大海…

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參考來(lái)源：

《近紅外天光背景測(cè)量系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究》，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，董書(shū)成，2018.5