科学家实现光子探测新技术

光子盒研究院

中佛罗里达大学研究员、纳米科学技术中心教授德巴希斯·钱达（Debashis Chanda）开发出一种新技术，用于探测光子：从可见光到无线电频率的基本粒子，它们在蜂窝通信中发挥着重要作用。

中佛罗里达大学研究员德巴希斯·钱达（Debashis Chanda）是红外成像专家
这项技术的进步可以为各个领域带来更精确、更高效的技术，从改善医疗成像和通信系统到提高科学研究水平，甚至有可能加强安全措施。
光子检测通常依赖于电压或电流振幅的变化/调制。但钱达开发出了一种通过调节振荡电路频率来探测光子的方法，为超灵敏光子探测铺平了道路。
钱达的方法使用了一种特殊的相变材料（PCM），当光线照射到这种材料时，它的形态会发生变化，从而产生一种保持稳定的电节奏，或者说是一种稳定的电路振荡。当光子照射到这种材料上时，它就会改变节奏的快慢，或者说改变振荡频率。节奏的变化程度取决于光线的强弱，就像人的声音会改变收音机的声音一样。

基于频率调制的LWIR探测测量装置

器件大小、探测能力、预计响应时间在不同尺寸器件之间的比较。器件尺寸越大，探测率越低

这项新研究成果最近发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志上。

8至12微米波长范围内的长波红外（LWIR）探测在天文学、气候科学、材料分析和安全领域极为重要。然而，由于光子能量较低，室温下的长波红外探测一直是一项长期挑战。
目前可用的低温红外探测器大致可分为两类：冷却型和非冷却型探测器，两者都有各自的局限性。
冷却探测器具有出色的探测性能，但需要低温冷却，因此价格昂贵，实用性有限。另一方面，非冷却探测器可以在室温下工作，但由于室温工作时固有的热噪声较高，因此探测率低、响应速度慢。低成本、高灵敏度、快速的红外探测器/相机仍然面临着科学和技术上的挑战。
这也是除国防部和特定空间应用外，低温红外热像仪未得到广泛应用的主要原因。
对于这项成果，钱达解释说：“与目前所有光子检测方案（光功率会改变电压或电流的振幅）不同，在我们提出的方案中，命中或光子事件会对振荡电路的频率进行调制，并以频率偏移的形式被检测到，从而对调幅性质的噪声具有固有的鲁棒性。”
“我们基于调频的方法具有出色的室温噪声等效功率、响应时间和检测能力，这种基于调频的通用光子检测概念可以在基于其他相变材料的任何光谱范围内实现。”
“我们的成果将这种基于调频的新型探测器作为一个独特的平台，用于创建低成本、高效率的非制冷红外探测器和成像系统，以满足遥感、热成像和医疗诊断等各种应用的需要。我们坚信，通过适当的工业规模封装，其性能还能进一步提高。”
由于噪声限制了检测灵敏度，钱达小组开发的这一概念为高灵敏度、非制冷型长波红外（LWIR）检测提供了一种范式转变。这一成果有望成为一种新颖的非制冷型近红外检测方案，它灵敏度高、成本低，可以轻松与电子读出电路集成，无需复杂的技术。
参考链接：[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1010977[2]https://phys.org/news/2023-12-technique-photon.html[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231212163353.htm


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