1.1　制冷红外焦平面探测器概述

1.1.1　红外线概述

红外线是电磁波的一种，其波长范围介于可见光与无线电波之间，为0.76～1000μm。根据大气窗口、红外应用和探测器响应等，红外线可以进一步划分为近红外线（0.76～1.4μm）、短波红外线（1.4～3μm），中波红外线（3～8μm）、长波红外线（8～15μm）、远红外线（15～1000μm），如图1-1所示 ^[1] 。

红外探测器作为红外技术的核心部件，可以灵敏地吸收特定波段的红外线，并将其转化为可被测量的信号。根据能量转换方式的不同，红外探测器可分为光热型和光子型 ^[2] 。光热型红外探测器利用红外辐射特有的热效应，将红外辐射转换为材料的温度变化，导致材料的结构或物理特性发生变化，从而探测变化的物理量并将其转换成电信号输出。光子型红外探测器通过光电效应改变材料的电子状态，探测效率高，响应速率快。光子型红外探测器又可分为光导型和光伏型，前者是吸收光子能量后将电子从半导体价带转移到导带上，由此改变探测材料的电导率；后者是将光子能量转化为电子能量，造成半导体的电子-空穴分离态，从而产生电压信号。因此，当光子能量大于半导体的带隙（导带-价带能量差）时，便可引发电子跃迁，即探测器对该辐射波长产生响应。换言之，半导体的带隙决定了材料可以吸收的红外光的范围。另外，光子型红外探测器工作时往往处于较低温度状态，属于制冷红外焦平面探测器。

有代表性的光子型红外探测器为锑化铟（InSb）材料探测器、碲镉汞（HgCdTe）材料探测器和锑化物超晶格材料探测器。它们根据半导体带隙宽度来探测不同波段的电磁辐射。图1-2展示了多种材料红外探测器的不同波长对应的探测率。

红外技术的早期应用主要集中在解决夜视问题上。第二次世界大战结束后，军事上的迫切需求和航天工程的蓬勃发展，使红外技术迅速发展，并在军事侦察、测绘、海洋监视、气象观测、环境保护等领域得到广泛应用。同时，红外技术也开始广泛民用化。红外技术可实测无损检测，是高效、经济的诊断工具，应用范围非常广泛，包括工业缺陷检查、高光谱成像、安全、医疗、天文、气象气候等。

大多数红外技术的应用需要穿过空气，而红外辐射在空气中会因吸收或散射而衰减。地球大气在红外波段有很多强吸收带，处于这些强吸收带之外的大气透过率较高的谱段为大气吸收窗口。在海平面以上2km高度的长水平路径上测得的大气光谱透过率曲线如图1-3所示。可以粗略地认为，地球大气有1～3μm、3～5μm和8～14μm三个红外窗口，它们在多个领域有重要的作用。通常，8～14µm的长波（LWIR）窗口是高性能热成像的首选，因为长波能够有效衍射，具有更好的透射率。3～5µm的中波（MWIR）窗口因其具有高对比度和更高的分辨率而受到青睐 ^[4] 。