基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，包括红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、激光光源、准直透镜、光学分束器、反射镜、干涉光束合束器和近红外光（可见光）相机。其中量子点折射率调制器由多层高密度量子点结构（层）构成，利用量子点三能级系统，将红外辐射强度信号转换成与之成正比的近红外（可见光）相位信号。本发明专利技术由于采用高密度量子点、量子点几何尺寸极小、并且量子点三能级系统折射率调制速度快，该系统可实现高速、高分辨率的红外成像，并可通过量子点折射率调制器实现对红外物体的光谱扫描。可广泛用于生物化学、临床医学、法医刑侦、资源勘探、环境科学、太空研究和国防安全等众多领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外成像
，特别是涉及一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，该系统可实现高速、高分辨率红外成像，并能实现红外光谱扫描。
技术介绍
现有技术中，公开的红外成像系统主要是基于热辐射计原理和光电探测原理。然而，目前两者都无法实现高分辨率成像，现有的红外成像系统最高分辨率为1百万像素，并且价格昂贵。基于热辐射计原理红外成像系统，分辨率低于1百万像素，响应速度慢(约为 10_3秒);采用光电探测原理的红外成像系统，如基于量子阱和量子点阵列结构的光电探测器，两者均采用电读出方式(即红外光照射到量子阱或者量子点上，产生自由载流子，并形成光电流或者光电压，测量相应的电流或者电压获取相应的红外光强度信号)，虽然具有很快的响应速度(可达到10_9秒以上)，但由于设计和加工工艺上的因素，难以突破1百万像素的分辨率。总之，现有技术无法实现高分辨率红外成像，更难于同时实现高速、高分辨率红外成像，也难以实现红外光谱扫描。这大大限制了红外成像系统的应用和相关应用领域的发展。参考文献1、Liu,H. C. , Quantum Dot Infrared Photodetector. Opto—electronics review 11(1)，1-5 (2003)；2、DongPan and Elias Toweb, Photovoltaic Quantum-dot Infrared Detectors, App 1. Phys. Lett. 76(22), 3301-3303(2000).；3>Lucjan Jacak, Pawel Hawrylak, Arkadiusz Wojs, Quantum Dots, Springer, New York, 1998.；4、Mitsuru Sugawara, Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots, Semiconductors and Semimetals, Volume 60, Academic Press, San Diego, USA, 1999.。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供的一种高速、高分辨率、可实现光谱扫描的基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统。本专利技术通过以下技术方案来加以实现基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，它包括有红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、激光光源、准直透镜或抛物面反射镜、光学分束器、反射镜、干涉光束合束器和近红外光或可见光相机组成。所述系统中各部件的光路关系如下所述成像系统分为两个相对独立的光路分别是调制-读出光路和参考光路；其中调、第i个导带能 ，其对应的能量Λ与近红外光或可见光波长&,具有一一对应的关系。 由上述方案可知，本专利技术是采用量子点中的第j个导带能级级I ο·〉和第k个价带能级I冷)构成一个三能级系统|q)、I α)和分别依次为！^能量大小关系SicPi^ >￡&。其中能级 /》与能级Ci制-读出光路上沿入射光传播方向的元件依次为红外成像光学元件、调制光束合束器、量子点折射率调制器、光学移相器、干涉光束合束器和近红外光或可见光相机；参考光路上沿入射光传播方向的元件依次为激光光源、准直透镜或抛物面反射镜、光学分束器和反射^Ml O系统通过红外成像光学元件将红外物体成像于量子点折射率调制器；由激光光源产生近红外光或可见光，通过准直透镜或抛物面反射镜准直后，经过光学分束器分为读出光和参考光。所述读出光经过调制光束合束器与物体在量子点折射率调制器上的红外像重合，通过量子点折射率调制器的量子点三能级系统相位调制特性，红外像的红外光强信号被转换成为读出光的相位信号；该读出光进一步通过光学移相器产生一个附加的(>■ +1/2 )π相位(其中η为任意整数，/7为圆周率)。所述参考光通过反射镜、干涉光束合束器与通过光学移相器之后的读出光重合在近红外光或可见光相机上。通过近红外光或可见光相机读取参考光和读出光的干涉光强，最终将读出光携带的相位信号还原成为红外图像的光强信号，从而利用近红外光或可见光相机获取物体的红外图像。所述量子点折射率调制器是由多层高密度量子点阵列结构构成的折射率调制器。其中单个量子点中的第j个导带能级| /〉、第i个导带能级|C7〉和第k个价带能级|Ffr〉构成一个三能级系统| /〉、ICf〉和IVk其对应的能量分别依次为Eq Ea Erk,能量大小关系为> Eg > Ε;ζ.；其中能级I />与能级jC7丨的能量差 \Eq —￡ei )对应波长为&的红外光子能量，而能级|C7〉与能级||7|〉之间的能量差 (￡Q — 对应波长为乂、的近红外光或可见光的光子能量；波长为的红外光入射到量子点上，引起能级IC7〉丨j能级ICj)间的光学跃迁，导致能级I Ci)与能级I视〉之间波长为又.的近红外光或可见光的折射率变化，从而改变入射该量子点波长为的近红外光或可见光的相位，该相位变化量与波长为Λ的入射红外光强成正比，并且红外波长的能量差(￡^对应波长为&的红外光子能量，而能级与能级|Fi:>之间的能量差(￡e; -InJ对应波长为Ir的近红外光或可见光的光子能量。波长为Ir的红外光，引起能级与能级||^/>间的光学跃迁，导致能级|(0与能级|1'1〉之间波长为/^的近红外光或可见光的折射率变化，进而改变入射该量子点波长为ζζ的近红外光或可见光的相位，从而将红外光强信号转换为近红外光或可见光的相位信号，通过光学干涉的方法，进一步将相位信号转换成为携带红外光强信号的近红外光(可见光)的光强信号，从而最终将红外光强信号转换成为近红外光(可见光)的光强信号。本专利技术采用高密度量子点阵列的构成的折射率调制器，量子点的密度可达 IO10Cm-2,量子点几何尺寸仅为几十个纳米(1纳米=10_9米)，利用上述方法，可将红外像直接转换成为高分辨率的近红外光(或可见光)像，进而通过高分辨率近红外光(可见光)相机 (10)读出，从而实现对物体的高分辨率红外成像。本专利技术利用量子点内载流子的快速响应，其响应时间约为几个纳秒(1纳秒=10_9 秒)，上述红外像转换为近红外光(或可见光)像的时间只有几个纳秒(1纳秒=10_9秒)，因此上述红外图像转换成为近红外光或可见光图像，具有极高的空间分辨率和响应速度。整个系统的分辨率和响应速度最终取决于近红外光(可见光)相机(10)，目前商业化的近红外光(可见光)相机(10)的分辨率可以达到1千万像素以上(远远高于现有红外成像系统的1 百万像素分辨率)。本专利技术利用不同几何尺寸的量子点、不同的三能级系统ICl)、I Cj)和I欣〉的选择，并利用红外波长与近红外光(可见光)Λ,一一对应关系，采用不同的近红外光(可见 光)波长i，.进行连续扫描，可以获得不同红外波长yl的光强信号，在获取高速、高分辨红 f i外图像的同时，获取图像的红外光谱。tools]本专利技术可以通过掺杂浓度来控制量子点三能级系统各能级| /〉、和|fx-〉 上的载流子分布，优化折射率调制。综上所述，本成像系统采用高密度量子点三能级系统折射率调制，可以实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于量子点折射率调制的全光读出红外成像系统，包括红外成像光学元件（１）、调制光束合束器（２）、量子点折射率调制器（３）、光学移相器（４）、激光光源（５）、准直透镜或抛物面反射镜（６）、光学分束器（７）、反射镜（８）、干涉光束合束器（９）和近红外光或可见光相机（１０）；所述成像系统分为两个相对独立的光路：分别是调制－读出光路和参考光路；其中调制－读出光路上沿入射光传播方向的元件依次为：红外成像光学元件（１）、调制光束合束器（２）、量子点折射率调制器（３）、光学移相器（４）、干涉光束合束器（９）和近红外光或可见光相机（１０）；参考光路上沿入射光传播方向的元件依次为：激光光源（５）、准直透镜或抛物面反射镜（６）、光学分束器（７）和反射镜（８）；所述系统是通过红外成像光学元件（１）将红外物体成像于量子点折射率调制器（３），在红外成像光学元件（１）和量子点折射率调制器（３）之间设置调制光束合束器（２）；由激光光源（５）产生近红外光或可见光，通过准直透镜或抛物面反射镜（６）准直后，经过光学分束器（７）分为读出光和参考光；所述读出光经过调制光束合束器（２）与红外物体在量子点折射率调制器（３）上的红外像重合，利用量子点折射率调制器（３）的量子点三能级系统相位调制特性，红外像的红外光强信号被转换成为读出光（近红外光或可见光）的相位信号，该读出光进一步通过光学移相器（４）产生一个附加的相位，其中ｎ为任意整数、为圆周率；所述参考光（近红外光或可见光）通过反射镜（８）、干涉光束合束器（９）与通过光学移相器（４）之后的读出光（近红外光或可见光）重合在近红外光或可见光相机（１０）上；通过近红外光或可见光相机（１０）读取参考光和读出光的干涉光强，最终将读出光携带的相位信号还原成为红外图像的光强度信号，从而利用近红外光或可见光相机获取物体红外图像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，雷尼尔·马丁尼，温中泉，陈李，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85