光的本質(zhì)是電磁波，人類肉眼可感知的電磁波被稱為可見光，也就是眾所周知的紅橙黃綠青藍(lán)紫這七種顏色。可見光僅為整個(gè)電磁光譜中很小的一部份。這么，紅橙黃綠青藍(lán)紫的綠色之前是哪些顏色呢？紅色然后又是哪些顏色呢？人類難以直接感知可見光之外的電磁波，所以這兩個(gè)區(qū)域的顏色是肉眼看不到的。就好象空氣，我們看不到并不代表它不存在。所以要感知可見光之外的其他電磁波，必須依靠外界手段如光電偵測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
紅外光，也被稱為紅外線，是日本科學(xué)家赫歇爾于1800年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)覺(jué)的。它是波長(zhǎng)比綠光更長(zhǎng)的電磁波，具有顯著的熱效應(yīng)，使人能覺(jué)得到而看不見。專業(yè)術(shù)語(yǔ)如是說(shuō)——所有室溫低于絕對(duì)零度的物體，均存在紅外幅射。淺顯來(lái)講就是，目前我們能否接觸到的物體都在源源不斷的向外發(fā)射紅外光。所以，我們可以通過(guò)紅外偵測(cè)的手段來(lái)觀察物體，紅外偵測(cè)技術(shù)一般可用于夜視、醫(yī)療、氣復(fù)檢測(cè)、天文偵測(cè)等。
電磁光譜
紅外偵測(cè)器是一種對(duì)于紅外幅射進(jìn)列寬靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件。初期的紅外偵測(cè)基于紅外幅射的熱效應(yīng)，也就是紅外光的照射促使偵測(cè)器室溫下降，氣溫的變化使紅外偵測(cè)器的化學(xué)參數(shù)發(fā)生改變量子通訊儀qi，據(jù)此判定紅外光的強(qiáng)弱。因?yàn)檫@些技巧基于氣溫的變化，而氣溫變化是一個(gè)平緩的過(guò)程，所以這些基于熱效應(yīng)的紅外偵測(cè)器的感知速率比較慢。
現(xiàn)代的紅外偵測(cè)器大多是基于光電效應(yīng)而設(shè)計(jì)的，非常類似于可見光波段的CCD或則CMOS偵測(cè)器，也就是廣泛用于單反中的感光部件，差異僅僅是紅外偵測(cè)器中的光電轉(zhuǎn)換像元是由才能體會(huì)紅外光波的光電材料制成。因?yàn)楣饩哂胁６笮裕？蓪⒐獠ǚQ為光子。光子可直接作用于紅外偵測(cè)器中的電子量子通訊儀qi，致使紅外偵測(cè)器輸出的電壓或電流發(fā)生直接的變化，通過(guò)對(duì)這些變化進(jìn)行測(cè)試，可依照其轉(zhuǎn)化效率直接估算得到入射光的硬度。這些方式基于光電效應(yīng)，避免了氣溫變化的過(guò)程，所以光電偵測(cè)器的反應(yīng)速率更迅捷。
量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器(,QCD)是一種新型的光電偵測(cè)器，于21世紀(jì)初被提出，是一種人工結(jié)構(gòu)的晶體材料。量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器一般由兩種禁帶長(zhǎng)度不同的半導(dǎo)體材料交替生長(zhǎng)而成，通過(guò)能帶工程將材料的導(dǎo)帶設(shè)計(jì)成量子阱結(jié)構(gòu)，其偵測(cè)波長(zhǎng)主要深受勢(shì)壘高度的限制，可覆蓋紅外與太赫茲波段。打個(gè)比方，勢(shì)壘就好比一堵墻，量子阱就好比墻與墻之間的平地。通過(guò)調(diào)整墻的長(zhǎng)度、墻的高度以及墻與墻之間的距離，可以使墻之間存在各色各樣的基態(tài)分布。依照量子熱學(xué)原理，基態(tài)會(huì)被禁錮在墻與墻之間，不會(huì)低于墻頭。
量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)和工作方法
量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器的基態(tài)分布如上圖所示，其結(jié)構(gòu)可大體分為兩部份，吸收區(qū)與輸運(yùn)區(qū)。吸收區(qū)負(fù)責(zé)光子的吸收，吸收一個(gè)入射光子的同時(shí)，迸發(fā)一個(gè)電子；輸運(yùn)區(qū)負(fù)責(zé)使這個(gè)電子定向聯(lián)通。上圖的吸收區(qū)中，一個(gè)入射的光子可以將E1基態(tài)上的電子提升至E6基態(tài)，之后輸運(yùn)區(qū)的基態(tài)設(shè)計(jì)成下臺(tái)階的款式，使該電子才能定向聯(lián)通。這個(gè)爬起來(lái)又滑出來(lái)的光電過(guò)程是不是有點(diǎn)似曾相戀？沒(méi)錯(cuò)，與你們都玩過(guò)的滑梯有異曲同工之妙！這些多個(gè)量子基態(tài)聯(lián)合組成的體系就稱為“量子級(jí)聯(lián)”。此時(shí)有人也許要問(wèn)，基態(tài)不是被限制在兩個(gè)“墻”之間的嗎？這么電子又如何才能“穿墻而過(guò)”的呢？這兒又牽扯到量子熱學(xué)中的一個(gè)有趣的概念：量子隧穿效應(yīng)。藥量子力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，電子具有波動(dòng)性，所以電子是有一定幾率直接“穿墻而過(guò)”的，這在精典化學(xué)學(xué)中是不可思議的，但在量子熱學(xué)中卻實(shí)實(shí)在在地發(fā)生著，這些現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。而且在個(gè)別特定條件下，電子的“穿墻”概率能接近100%。
量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器這些不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出光伏特點(diǎn)，可使光迸發(fā)的電子自發(fā)地雙向輸運(yùn)，不須要利用其他外力例如外加電場(chǎng)。這些光伏特點(diǎn)促使光電訊號(hào)的輸出與采集更為方便。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器在無(wú)光照條件下不會(huì)形成電壓（無(wú)暗電壓），僅在有光子入射的情況下，才能輸出純凈的光電流。所以量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器幀率低、發(fā)熱量低、熱負(fù)載小，可用于制備低煤耗的成像芯片焦平面陣列。
基于種種優(yōu)點(diǎn)，量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器成為微光偵測(cè)、衛(wèi)星遙感、星地高速激光通訊以及高對(duì)比度紅外成像等應(yīng)用領(lǐng)域中極具前景的紅外偵測(cè)元件。
目前，中國(guó)科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所陸衛(wèi)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次研發(fā)了量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器紅外焦平面陣列，該偵測(cè)器基于GaAs/材料，峰值偵測(cè)波長(zhǎng)為8.5微米，坐落短波紅外波段，面陣規(guī)模達(dá)到320×256（81920象素），并初步進(jìn)行了紅外成像實(shí)驗(yàn)。
量子級(jí)聯(lián)偵測(cè)器紅外焦平面陣列對(duì)電烙鐵的紅外成像