一種探測(cè)紅外輻射方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種探測(cè)紅外輻射方法。紅外輻射對(duì)應(yīng)的光子能量較小，不易采用硅基光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。本發(fā)明方法利用背景光源把電子激發(fā)到SrAl2O4(Dy,Eu)材料禁帶中的Dy3+陷阱能級(jí)，背景光源的發(fā)射波長(zhǎng)為350nm～450nm。當(dāng)有紅外光照射時(shí)，處于這些陷阱能級(jí)中的電子可以躍遷到導(dǎo)帶，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到Eu2+能級(jí)后輻射出綠光，引起可見光輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)。因此通過(guò)測(cè)量SrAl2O4(Dy,Eu)發(fā)出的綠光強(qiáng)度可以間接地測(cè)量出紅外輻射的強(qiáng)度。本紅外探測(cè)器利用SrAl2O4(Dy,Eu)材料為上轉(zhuǎn)換材料，轉(zhuǎn)換過(guò)程不涉及多光子過(guò)程，因此轉(zhuǎn)換效率較高，只要在背景光源的照射下，即可有效探測(cè)到紅外輻射。
【專利說(shuō)明】一種探測(cè)紅外輻射方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種紅外輻射探測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于紅外輻射對(duì)應(yīng)的光子能量較小，因此不易采用硅基光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。由于硅的禁帶寬度只有1.1267，對(duì)應(yīng)的紅外檢測(cè)上線波長(zhǎng)大約為1100111因此，理論上基于光生載流子的硅基光電探測(cè)技術(shù)無(wú)法探測(cè)波長(zhǎng)大于1100！?。。?！的紅外輻射。紅外上轉(zhuǎn)換就是把不易探測(cè)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成較易探測(cè)的可見光進(jìn)行檢測(cè)，在紅外輻射探測(cè)、生物標(biāo)識(shí)與監(jiān)測(cè)、藥物治療與標(biāo)記，以及軍事傳感領(lǐng)域等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前大多數(shù)紅外上轉(zhuǎn)換主要是利用多光子技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率很低，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。
[0003]我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，共摻有和雜質(zhì)的八1231~04: (0^, ￡11)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的禁帶中存在一系列接近八12分04導(dǎo)帶底的雜質(zhì)能級(jí)，見圖1。一般情況下，進(jìn)入這些能級(jí)上的電子可以停留很長(zhǎng)的時(shí)間，但是可以通過(guò)熱激發(fā)進(jìn)入八12分04的導(dǎo)帶并通過(guò)能級(jí)釋放而形成綠色余輝。但是，如果此時(shí)有紅外輻射，則這些雜質(zhì)能級(jí)上的電子可以在紅外輻射的激發(fā)下躍遷到導(dǎo)帶，再通過(guò)(07, ￡11)中的能級(jí)躍遷下來(lái)發(fā)射出綠光。由于這種激發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫?zé)峒ぐl(fā)的效率，從而導(dǎo)致綠光輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，由此通過(guò)對(duì)綠光強(qiáng)度的監(jiān)控即可探測(cè)到紅外輻射的存在。同時(shí)，根據(jù)綠光增強(qiáng)的幅度，可以計(jì)算出紅外輻射的相對(duì)強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)涉及多光子過(guò)程紅外上轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)，提出了一種基于長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的紅外上轉(zhuǎn)換效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的方法。
[0005]本發(fā)明方法利用長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的紅外上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，把波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)較短的可見光，再由硅光電池或其他可見光探測(cè)器檢測(cè)，從而間接實(shí)現(xiàn)紅外輻射的探測(cè)。
[0006]本發(fā)明方法采用硅基光電探測(cè)器進(jìn)行紅外輻射探測(cè)，硅基光電探測(cè)器的輻射入射窗口設(shè)置有紅外凸透鏡，紅外上轉(zhuǎn)換片設(shè)置在紅外凸透鏡的焦點(diǎn)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(cè)，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(diǎn)處，檢測(cè)電流計(jì)與硅光電池的輸出端連接；背景光源的出射光路入射角0為30。?60。，硅光電池的接收光路出射角13為30。?60。，且
[0007]所述的紅外入射光路為紅外凸透鏡的主光軸所在直線；
[0008]所述的紅外凸透鏡為區(qū)熔硅單晶材料透鏡，只能通過(guò)紅外光；
[0009]所述的紅外上轉(zhuǎn)換片為八141^(07，￡11)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的片材，或硅基板上鍍八14104(07，￡11)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料膜；
[0010]所述的背景光源為發(fā)射波長(zhǎng)為\的發(fā)光二極管，35011111 ? \ ^ 45011111 ；
[0011]所述的背景光源的出射光路入射角0為出射光路與紅外上轉(zhuǎn)換片的夾角；
[0012]所述的硅光電池的接收光路出射角@為接收光路與紅外上轉(zhuǎn)換片的夾角。
[0013]檢測(cè)時(shí)，開啟背景光源和檢測(cè)電流計(jì)，移動(dòng)硅基光電探測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)電流計(jì)顯示電流增加時(shí)，表明紅外入射光路上有紅外輻射存在。
[0014]進(jìn)一步，所述的硅光電池的接收光路上設(shè)置有帶通濾光片，所述的帶通濾光片的中心波長(zhǎng)為51011111、帶寬為3011111。
[0015]本發(fā)明中，背景光源發(fā)射藍(lán)光、紫外光或藍(lán)紫光，用于激發(fā)鋁酸鍶材料中的電子，使價(jià)帶的電子躍遷進(jìn)入形成的淺陷阱能級(jí)。為了避免電子直接躍遷進(jìn)入
￡11)的導(dǎo)帶從而產(chǎn)生強(qiáng)大的背景信號(hào)，背景光源的波長(zhǎng)大于等于350=1硅光電池用于探測(cè)鋁酸鍶材料發(fā)射出的可見光，把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。為了避免背景光源發(fā)出的光反射后直接進(jìn)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八12分04 (07, ￡11)散射后的藍(lán)光進(jìn)入硅光電池，進(jìn)一步降低硅光電池的背景電流。
[0016]與傳統(tǒng)的涉及多光子過(guò)程的紅外上轉(zhuǎn)換方法相比，本發(fā)明利用長(zhǎng)余輝材料把紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光的上轉(zhuǎn)換過(guò)程效率很高，不需要大功率激光激發(fā)即可完成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱紅外輻射信號(hào)的探測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1:本發(fā)明方法中硅基光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2:本發(fā)明方法的原理圖；
[0019]圖3:98011111近紅外[￡0發(fā)出的脈沖紅外輻射引起的光強(qiáng)度的增加；
[0020]圖4:175011111中紅外[￡0發(fā)出的紅外輻射引起的光強(qiáng)度的增加。

【具體實(shí)施方式】
[0021〕 一種探測(cè)紅外輻射方法，采用硅基光電探測(cè)器進(jìn)行紅外輻射探測(cè)。硅基光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。硅基光電探測(cè)器的輻射入射窗口設(shè)置有紅外凸透鏡1，紅外上轉(zhuǎn)換片2設(shè)置在紅外凸透鏡1的焦點(diǎn)處，并與紅外入射光路3垂直。背景光源3和硅光電池4分別置于紅外入射光路3的兩側(cè)，背景光源3的出射光路6與硅光電池4的接收光路^相交于凸透鏡的焦點(diǎn)處。檢測(cè)電流計(jì)與硅光電池4的輸出端連接(圖中未畫出，該連接屬于成熟技術(shù)背景光源3的出射光路入射角0為30。?60。，硅光電池4的接收光路出射角13為30。?60。，且0古13。其中:紅外凸透鏡為區(qū)熔硅單晶材料透鏡，只能通過(guò)紅外光；紅外上轉(zhuǎn)換片為八123104 (07, ￡11)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的片材，或硅基板上鍍八1231~04 (0^, ￡11)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料膜；背景光源為發(fā)射波長(zhǎng)為、的發(fā)光二極管，35011111 ? \ ? 45011111。
[0022]檢測(cè)時(shí)，開啟背景光源和檢測(cè)電流計(jì)，移動(dòng)硅基光電探測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)電流計(jì)顯示電流增加時(shí)，表明紅外入射光路上有紅外輻射存在。
[0023]為了避免背景光源發(fā)出的光被硅光電池接收產(chǎn)生高的背景信號(hào)，背景光源的發(fā)光二極管采用定時(shí)脈沖模式，即每間隔時(shí)間發(fā)出脈沖，以維持陷阱中有足夠的電子產(chǎn)生余輝。在背景光源的發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，硅光電池停止接收脈沖信號(hào)；在背景光源的發(fā)光二極管不在發(fā)光時(shí)，硅光電池接收脈沖信號(hào)。該模式下，信號(hào)的信背比高，更加容易檢測(cè)到紅外輻射，但在背景光源停止工作的時(shí)間里，不能完成紅外輻射的檢測(cè)。
[0024]該方法可以在硅光電池4的接收光路0上設(shè)置有帶通濾光片5，帶通濾光片的中心波長(zhǎng)為51011111、帶寬為3011111。增加帶通濾光片后，背景光源的發(fā)光二極管連續(xù)發(fā)出脈沖，帶通濾光片可以濾除背景光源被八141^(07，￡11)散射后的藍(lán)光進(jìn)入硅光電池，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，但該模式下相對(duì)信號(hào)的信背比低。
[0025]該方法的原理如圖2所示，進(jìn)入陷阱能級(jí)的電子室溫下相對(duì)比較穩(wěn)定，但是在紅外光的照射下可以向上躍遷進(jìn)入￡11)材料的導(dǎo)帶，并通過(guò)￡,能級(jí)釋放出可見光，從而導(dǎo)致可見光信號(hào)強(qiáng)度的增加。硅光電池用于探測(cè)鋁酸鍶材料發(fā)射出的可見光，把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。
[0026]實(shí)驗(yàn)例1:
[0027]背景光源選用波長(zhǎng)\為350111功率為50碰的紫外光1^0，由波長(zhǎng)為980=1功率為脈沖寬度為0.3秒的紅外光脈沖照射下，檢測(cè)電流計(jì)顯示電流增加，如圖3?？梢钥闯?，該方法可以有效地探測(cè)98011111的紅外光。
[0028]實(shí)驗(yàn)例2:
[0029]背景光源選用波長(zhǎng)\為407醒、功率為80碰的藍(lán)紫光肥)，由波長(zhǎng)為1750鹽、功率為20！111連續(xù)中紅外光照射前后，檢測(cè)電流計(jì)顯示電流的變化，如圖4?？梢钥闯?，該方法可以有效地探測(cè)175011111的紅外光。
[0030]實(shí)驗(yàn)例3:
[0031]背景光源選用波長(zhǎng)\為450鹽、功率為10001的藍(lán)光肥)，由波長(zhǎng)為1350鹽、功率為1501的紅外光脈沖照射下，檢測(cè)電流計(jì)顯示電流明顯增加。
【權(quán)利要求】
1.一種探測(cè)紅外輻射方法，該方法采用硅基光電探測(cè)器進(jìn)行紅外輻射探測(cè)，其特征在于:所述的硅基光電探測(cè)器的輻射入射窗口設(shè)置有紅外凸透鏡，紅外上轉(zhuǎn)換片設(shè)置在紅外凸透鏡的焦點(diǎn)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(cè)，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(diǎn)處，檢測(cè)電流計(jì)與娃光電池的輸出端連接；背景光源的出射光路入射角Ct為30°?60° ,娃光電池的接收光路出射角β為30°?60°，且α關(guān)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(qū)熔硅單晶材料透鏡，只能通過(guò)紅外光； 所述的紅外上轉(zhuǎn)換片為A12 SrO4 (Dy，Eu)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料的片材，或硅基板上鍍Al2SrO4 (Dy, Eu)長(zhǎng)余輝發(fā)光材料膜； 所述的背景光源為發(fā)射波長(zhǎng)為λ的發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換片的夾角； 檢測(cè)時(shí)，開啟背景光源和檢測(cè)電流計(jì)，移動(dòng)硅基光電探測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)電流計(jì)顯示電流增加時(shí)，表明紅外入射光路上有紅外輻射存在。
2.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)紅外輻射方法，其特征在于:所述的硅光電池的接收光路上設(shè)置有帶通濾光片，所述的帶通濾光片的中心波長(zhǎng)為510nm、帶寬為30nm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)紅外輻射方法，其特征在于:所述的背景光源的發(fā)光二極管采用定時(shí)脈沖模式，即每間隔時(shí)間發(fā)出脈沖，以維持陷阱中有足夠的電子產(chǎn)生余輝。
4.如權(quán)利要求2所述的一種探測(cè)紅外輻射方法，其特征在于:所述的背景光源的發(fā)光二極管在檢測(cè)過(guò)程中連續(xù)發(fā)出脈沖。
【文檔編號(hào)】G01J5/10GK104458003SQ201410681201
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】季振國(guó), 包文浩, 李鶴 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)