紅外探測器：感知宇宙的“隱形之眼”

紅外探測器是一種能夠?qū)⒓t外輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的光電轉(zhuǎn)換器件。由于任何溫度高于絕對零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，因此紅外探測器能夠捕捉到人眼無法感知的紅外光信息，從而實(shí)現(xiàn)對宇宙中各類天體的探測。

 

紅外探測器的發(fā)展經(jīng)歷了三代更迭。第一代主要是以單元、多元器件進(jìn)行光機(jī)串/并掃描成像，探測能力有限。第二代是線列或中小規(guī)模面陣焦平面，像元數(shù)量顯著提升，成像體制實(shí)現(xiàn)從掃描成像到凝視成像的跨越。第三代紅外焦平面則以大面陣、高分辨、高靈敏、多波段為特征，探測性能大幅提升。例如，目前已經(jīng)出現(xiàn)了像元間距減小至5微米、噪聲等效溫差（NETD）達(dá)到優(yōu)于20毫開爾文、幀頻從1千赫茲提升至10千赫茲的紅外探測器，探測波長甚至達(dá)到甚長波，可實(shí)現(xiàn)多色和高光譜探測。

 

紅外探測器按探測波長可分為短波紅外探測器、中波紅外探測器和長波紅外探測器。短波紅外探測器工作波長在1.0 - 3.0微米范圍，可在較高溫度工作，制冷成本較低；中波紅外探測器的探測波段在3.0 - 5.0微米范圍，常用于尾焰目標(biāo)、艦載探測等；長波紅外探測器探測波長在8.0 - 14微米，對于目標(biāo)溫度較低、大氣傳輸路徑長、大氣環(huán)境特殊的情況更具優(yōu)勢。

 

在材料方面，紅外探測器也經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。早期的熱敏型紅外探測器，如水銀溫度計(jì)、溫差電型紅外探測器等，利用熱效應(yīng)進(jìn)行探測。隨著技術(shù)的發(fā)展，光子型紅外探測器逐漸成為主流，如硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）和銻化銦（InSb）紅外探測器等。其中，碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測器因帶隙可調(diào)，對紅外光高度敏感，紅外吸收效率很高，一直是紅外探測器制造的首選材料。近年來，量子阱紅外探測器（QWIP）和InAs/GaSb II類超晶格紅外探測器等新型探測器材料也不斷涌現(xiàn)，為紅外探測技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。

 

深空探測：拓展人類認(rèn)知的邊界

深空探測是指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測活動(dòng)，它是人類航天活動(dòng)的重要方向和空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。通過深空探測，人類能夠探索宇宙的起源、揭示生命的發(fā)展和演化、預(yù)防其他小天體撞擊地球、促進(jìn)空間技術(shù)的革新和開發(fā)利用富饒的空間資源。

 

深空探測的主要科學(xué)活動(dòng)包括繪制星體地形地貌、表面礦物組成的分布圖，獲取其表面樣品；研究星體臨近空間環(huán)境，確定其大氣組成是否含有CO和H?O等生命元素；測定星體的自轉(zhuǎn)參數(shù)、大小、形狀、軌道以及熱輻射（表面溫度）和絕對星等參數(shù)。成像光譜儀作為深空探測中的重要光學(xué)載荷，在獲得目標(biāo)星體光譜信息的同時(shí)，還可以獲得其空間信息，在地貌測繪、地質(zhì)勘測、火災(zāi)預(yù)警、海洋探測和大氣測量等多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

 

紅外探測器在深空探測中的應(yīng)用

紅外探測器在深空探測中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它為人類探索宇宙提供了獨(dú)特的視角和豐富的信息。

 

宇宙天體普查

紅外線天文衛(wèi)星利用紅外探測器能夠以紅外線巡天的方式，對宇宙空間中的各種天體進(jìn)行全面的探測和記錄。例如，世界著名的紅外天文衛(wèi)星在其短暫的工作期間，就發(fā)現(xiàn)了大量的紅外發(fā)射源，這些新發(fā)現(xiàn)的紅外發(fā)射源包括太陽系天體、恒星、電離氫區(qū)、分子云、行星狀星云、銀核、星系、類星體等多種類型的天體，極大地豐富了人類對宇宙天體的認(rèn)識。通過對宇宙空間的全面普查，紅外線天文衛(wèi)星能夠繪制出詳細(xì)的紅外天體圖，這些天體圖不僅展示了各種天體在紅外波段的分布情況，還為天文學(xué)家提供了研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化的重要依據(jù)。

 

特定天體觀測

紅外探測器還可以對特定的天區(qū)和紅外輻射源進(jìn)行專門的觀測，提供更高的分辨率和更詳細(xì)的天體信息。例如，某些紅外天文衛(wèi)星可以對特定天體進(jìn)行定向觀測，其搭載的液氦冷卻型紅外望遠(yuǎn)鏡能夠觀測從近紅外到遠(yuǎn)紅外的廣闊波段，為天文學(xué)家提供了豐富的天體信息。此外，紅外探測器還可以對一些特殊的天體進(jìn)行觀測，如行星狀星云、銀核、星系等。這些天體在紅外波段具有獨(dú)特的輻射特征，通過紅外探測器的觀測，可以更好地了解它們的結(jié)構(gòu)和演化。

 

穿透塵埃云層

宇宙中布滿了氣體和塵埃，這些物質(zhì)會(huì)妨礙光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測，但紅外探測器可以利用紅外線穿透塵埃云層，觀測到不透明大氣中的天體，如行星大氣、褐矮星等。當(dāng)宇宙中的恒星被塵埃遮擋時(shí)，天文學(xué)家利用紅外線或其他波段的光譜就能清楚地看到它們。例如，在研究恒星形成區(qū)域時(shí)，紅外探測器可以穿透塵埃云，觀測到新生恒星的光芒，揭示恒星形成的過程和機(jī)制。

 

探測低溫目標(biāo)

對于低溫、遙遠(yuǎn)、弱目標(biāo)和低對比度目標(biāo)的探測，紅外探測器具有獨(dú)特的優(yōu)勢。天文觀測、天基預(yù)警等對遠(yuǎn)距離低溫、暗弱目標(biāo)的探測需要更長的紅外波長、更高的靈敏度和探測率，以及更低的工作溫度來保證探測器性能。例如，某些紅外探測器在低溫環(huán)境下暗電流水平低，中波和長波波段探測性能優(yōu)越，被廣泛用于空間對地觀測和天文應(yīng)用，能夠探測到一些溫度較低、輻射能量較弱的天體，為研究宇宙中的低溫天體和暗物質(zhì)等提供了重要的手段。

 

未來展望

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，紅外探測器與深空探測技術(shù)的融合將更加深入，為人類探索宇宙帶來更多的驚喜和突破。未來，紅外探測器將朝著更高分辨率、更高靈敏度、更寬波段范圍和更低工作溫度的方向發(fā)展，同時(shí)，新型探測器材料和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)也將為紅外探測技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。深空探測也將不斷拓展探測范圍和深度，開展對更遙遠(yuǎn)星系、更神秘天體的探測和研究，揭示更多宇宙的奧秘。

 

紅外探測器與深空探測技術(shù)的結(jié)合，是人類探索宇宙的重要里程碑。它們?nèi)缤祟愄剿饔钪娴男赂泄?，讓我們能夠以更加敏銳和全面的視角去認(rèn)識宇宙、了解宇宙，為人類的未來發(fā)展開辟更加廣闊的空間。