2.5 红外探测器
2.5.1 红外辐射的基本知识
一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体都在不停地辐射红外线。研究表明，红外线是从物质内部发射出来的，物质是由原子、分子组成的，它们按一定的规律不停地运动着，其运动状态也不断地变化，因而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现象，红外辐射的物理本质就是热辐射。这种辐射的量主要由这个物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。
根据电磁学理论，物质内部的带电粒子（如电子）的变速运动都会发射或吸收电磁辐射，如γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁辐射。可以把这些辐射按其波长（或频率）的次序排列成一个连续谱，称为电磁波谱。电磁辐射具有波动性，它们在真空中具有相同的传播速度，称为光速c。光速c与电磁波的频率ν、波长λ的关系是：νλ=c。
红外线有一些与可见光不一样的特性。
①红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到。
②红外线的光量子能量比可见光的小，例如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光于能量的1/20。
③红外线的热效应比可见光要强得多。
④红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。
在电磁波谱中，红外辐射只占有小部分波段。整个电磁波谱包括20个数量级的频率范围，可见光谱的波长范围为0.38～0.75μm，而红外波段为0.75～1000μm。因此，红外光谱区比可见光谱区含有更丰富的内容。
在红外技术领域中，通常把整个红外辐射波段按波长分为4个波段，见表2-2。
表2-2 红外辐射波段
2.5.2 红外探测器分类
简单来说，用来检测红外辐射存在的器件称为红外探测器，它能把接收到的红外辐射转变成体积、压力、电流等容易测量的物理量。而且真正有实用意义的红外探测器，还必须满足两个条件：一是灵敏度高，对微弱的红外辐射也能检测到；二是物理量的变化与受到的辐射成比例，这样才能定量测量红外辐射。现代探测器大都以电信号的形式输出。所以也可以说，红外探测器的作用就是把接收到的红外辐射转换成电信号输出，是实现光电转换功能的灵敏器件。
众所周知，任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。红外探测器的主要功用就是检测红外辐射的存在，测定它的强弱，并将其转变为其他形式的能量，多数情况是转变为电能，以便应用。按探测器工作机理区分，可将红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类，如图2-48所示。
图2-48 红外探测器分类
2.5.3 热探测器
热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化，测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率，主要有以下4种常用热探测器，在吸收红外辐射后将产生相应的物理性能变化以供测量。
（1）热释电探测器
电压电类晶体中的极性晶体，如硫酸三甘肽（TGS）、钽酸锂（LiTaO3）和铌酸锶钡（Srl-xBaxNb2O6）等，具有自发的电极化功能，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向上能产生电压。电压大小与吸收的红外辐射功率成正比，这种现象被称为热释电效应。所以，称极性晶体为热释电晶体。热释电晶体自发极化的弛豫时间很短，约为10-12s。因此热释电晶体可响应快速的温度变化。利用这一原理制成的红外探测器叫热释电探测器，见图2-49。给出了两种电极结构的热释电探测器示意图，即在切割成薄片的热释电晶体垂直于极轴两个平行平面（正面和侧面皆可）镀上电极，便构成热释电探测器的面电极结构［图2-49（a）］，或边电极结构［图2-49（b）］。如果受连续恒定辐射的照射，探测器由于温升会输出电量，但由于自由电子的中和作用，此电量会不断衰减直至消失。当用调制辐射照射探测器，只要调制周期小于中和时间，就会输出与调制频率相同的交变电量，这说明热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。热释电红外探测器探测率高，属于热探测器中最好的，因此得到了广泛应用。
图2-49 热释电探测器的两种电极结构
（2）气体探测器
气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，由此，可测量被吸收的红外辐射功率。利用上述原理制成的红外探测器叫气体（动）探测器。
（3）测辐射热电偶
测辐射热电偶是基于温差电效应制成的热探测器，其热电偶的原理见图2-50。在材料A和B的连接点上粘上涂黑的薄片，形成接受辐照的光敏面，在辐照作用下产生温升，称为热端。在材料A和B与导线形成的连接点保持同一温度，形成冷端。在两个导线间（输出端）产生开路的温差电势。这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶（也称热电偶）。温差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差成正比，因此，测量热电偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率，或冷热两接头处的温差。热电偶的缺点是热响应时间较长。
图2-50 采用单个热敏电阻的测量电路
（4）热敏电阻
热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。
电阻测辐射热器，有半导体测辐射热器、金属测辐射热器和超导体测辐射热器。热敏电阻是一种半导体测辐射热器，常用Mn、Co、Ni的氧化物按一定比例混匀烧结成薄片，在吸收红外辐射的表面制备一层吸收层，引出电极，封装好后性能达到要求的即可使用（图2-51）。热敏电阻的光敏面积一般为10-2mm2到几个平方毫米。
图2-51 图2-51 热敏电阻结构示意图
1—黑化吸收层；2—热敏电阻薄片；3—衬底；4—散热片；5—电极引线
2.5.4 光子探测器
光子探测器吸收光子后发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象，这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数，利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。光子探测器有下列4种。
①光电子发射（外光电效应）器件 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光电效应。利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。
②光电导探测器 利用半导体的光电导效应制成的红外探测器称为光电导探测器（简称PC器件），目前，它是种类最多、应用最广的一类光子探测器。已制出响应波段为3～5μm和8～14μm或更长的多种红外探测器。
③光伏探测器 利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器（简称PV器件）。如果PN结上加反向偏压，则结区吸收光子后反向电流会增加。从表面看，这种情况有点儿类似于光电导，但实际上它是由光伏效应引起的，这就是光电二极管。
④光磁电探测器 如图2-52所示，在样品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样品两端产生电位差。这种现象称为光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器（简称PEM器件）。
图2-52 光磁电效应
光磁电探测器实际应用很少。因为对于大部分半导体，不论在室温或是在低温下工作，这一效应的本质使它的响应率比光电导探测器的响应率低，光谱响应特性与同类光电导或光伏探测器相似，工作时必须加磁场又增加了使用的不便。
热探测器与光子探测器在使用场合上要有所区别。
①热探测器一般在室温下工作，不需要制冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作于1～3μm波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度，性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。
②热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器，而光子探测器只对短于或等于截止波长的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。
③热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1～2个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。