前沿科技之纳米技术新发现有望促使卫星红外成像技术突破

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伦斯勒理工学院(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人员开发出一种基于纳米技术的新“显微透镜”(microlens)，该透镜中黄金被利用来增强红外成像信号。这项技术可能促使新一代超级卫星照相机和夜视设备的诞生。
研究人员利用纳米金的独特属性，把光“挤”进设备表面的微孔里，使得量子阱红外探测器 (QDIP) 的探测灵敏度增加了一倍。研究者希望通过改进能把探测灵敏度提高至20倍当前水平。项目负责人Shawn-Yu Lin是伦斯勒理工学院的物理学教授，同时也是该大学未来芯片和智能光学研究中心的成员。他表示，该项技术增强红外探测器信号的同时没有增加干扰噪音，这是近十多年以来少见的研究成果。红外探测是备受各界瞩目，这是因为高效的卫星红外成像技术对国土安全、监测气候变化和森林砍伐研究等十分重要，该项技术的发展潜力很大。Lin说到，这项新研究开创了研究量子阱红外探测器的新路标，跨越了近十年以来技术发展瓶颈。同时，Lin在2008年还研制成功了世界上“最黑”的材料，该材料作为太阳能电池板涂层可吸收来自各个角度99.9%的光线。
红外成像探测器的灵敏度由接受到的信号与接收到的信号噪音的比值所得。目前较先进的成像探测器是基于汞-镉-碲材料 (MCT) 的，可得到较强的信号，但是面临着很多挑战，比如说微弱信号成像时的长曝光时间问题。Lin的研究表明，利用纳米级的黄金来聚集光线进入红外线探测器，可增强光子的吸收，提高量子阱将光子转化为电子的能力，这是令人振奋的成果。该研究成果已经发表在最新的在线Nano Letters上，该项研究由美国空军科学研究办公室资助。
新型量子阱红外探测器的表面布满了无数小孔，研究者在固体的表面覆着50纳米，即50亿分之一米大小的黄金，每个小孔的直径约为1.6微米，也就是160万分之一米，小孔深度约为1微米。这些小孔里布满了纳米级量子阱晶体，具有独特的光学和半导体特性。引人注目的是，黄金表面的特性有助于聚集入射光直接进入小孔，并集中在量子阱上。这种聚集作用加强了量子阱与孔内“约束”光的作用，从而增强了量子阱将光子转化为电子的能力。最终的结果是，Lin的设备产生的电场能量约是入射光能量的400倍。
在现有量子阱红外探测器透镜上加工小孔也能得到很好的效果，而且没有增加额外的重量，减去了安装和校准以百万计微小透镜的成本，这些对空间卫星来说十分重要。Lin的研究小组还在文章中证明量子阱红外探测器的黄金纳米层不会增加任何干扰噪音或对设备响应时间造成负面影响。他们计划通过增大表面小孔直径或调整量子阱的排列方式改进这项新技术。
' Q2 f! P) P+ OLin表示，几年内他们将能够创建一个20倍于当前信号水平的量子阱红外探测器，这是一个合理的可实现的目标，而且将可为空间卫星成像、士兵夜视镜、医疗成像设备提供技术支持。
该项研究合作的论文作者有伦斯勒高级研究科学家James Bur，研究生Chun-Chieh Chang和副研究员Yong-Sung Kim等人。