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量子井红外探测器的秘密武器：为什么它们能侦测到隐形的红外线？
量子井红外探测器（QWIP）是一种利用量子井中电子的能带间迁移来吸收光子的红外线探测器。为了在红外线侦测中发挥作用，量子井的参数经过调整，使其第一和第二量子状态之间的能量差异正好匹配进入的红外光子能量。 QWIP 通常由砷化镓制造，这是一种在智能手机和高速通讯设备中普遍存在的材料。根据材料和量子井的设计，QWIP 的能量水平可以调整以吸收从 3 到 20 微米的红外辐射。 QWIP 是几种简单的量子机械装置结构之一，可用于探测中波和长波红外辐射，以其稳定性、高像素均匀性和高像素可操作性而闻名。
历史
在1985 年，史提芬·艾戈拉什（Stephen Eglash）和劳伦斯·韦斯特（Lawrence West）观察到多量子井（MQW）中强烈的能带间迁移，促使对利用量子井进行红外探测的更深入考虑。早前基于自由吸收的红外探测尝试使得光子能量无法被有效检测，导致探测器的灵敏度不足。然而，到了 1987 年，量子井红外探测器的基本操作原理已形成，并显示出对红外线的灵敏侦测能力。随后在 1990 年，技术通过增加障碍层厚度来进一步提高低温灵敏度。这些装置正式被称为量子井红外探测器。 1991 年，首次利用此技术获得红外图像。
2002 年，美国陆军研究实验室的研究人员研发出一种可调电压的双色 QWIP，实现了远程温度感测的有效波长切换。
这项仪器在 10 开尔文下以正偏压时显示 7.5 微米的检测波长，而在较大负偏压时则切换至 8.8 微米。不过，尽管 QWIP 技术在民用应用中得到用户青睐，却因满足军用需求的能力不足而受到美国军方的冷淡对待。当时，因为探测器只能在光线平行于材料层的情况下感测一维量子化，这通常在光照射到探测器边缘时才会发生。因此，QWIP 技术的量子效率仅有 5%。
为了解决这个问题，陆军研究实验室于 2008 年开发了曲线量子红外探测器（C-QWIP），使用微型镜面以提高红外光引导至量子井区域的有效性。
C-QWIP 的 45 度倾斜探测器侧壁使得光能有效回弹，在材料层中平行反射以生成电信号。由 ARL 和 L-3 通讯辛辛那提电子公司进行的测试表明，C-QWIP 的带宽超过 3 微米，这是当时商业 QWIP 的 5 倍。由于 C-QWIPs 可通过砷化镓制造，因此成为陆军直升机常规红外探测器的更具经济效益的替代品，并在不妥协解析度的情况下，降低了调校和维护的需求。
功能
红外探测器通常通过检测物体发射的辐射来工作，辐射的强度取决于诸如物体的温度、距离和大小等因素。与大多数红外光电探测器不同，QWIPs 与检测材料的带隙无关，因为它们基于单一能带内的光学迁移。因此，QWIPs 可以用来探测比以往更低能量辐射的物体。
QWIP 的基本结构包含由障碍层分隔的量子井，量子井旨在拥有一个限制状态和一个与障碍顶部对齐的第一激发状态。
这些量子井的主要特征是注入了电子的基态被填满，并足够宽以防止量子隧道效应。典型的 QWIPs 由 20 到 50 个量子井构成。在施加偏压时，整个导电带会倾斜，并在无光的情况下，电子则静止在基态中。当 QWIP 照射到与能带间迁移能量相同或更高能量的光时，电子被激发，可以逃逸至连续态计算为光电流。为了外部测量光电流，需要施加电场以提取量子井中的电子。
光电流的效率受到多个参数的影响。通过粗略地假定探测器以光子通量 φ 照射时，光电流 I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} ，其中 e 是基本电荷， η 是吸收效率，而 g_{ph} 是光导增益。
尽管一开始可能感觉不合理，但光导增益
g_{ph}可以大于 1。因为每当电子被激发并以光电流形式提取，就会从对面（发射器）接点注入另一电子来平衡损失。
这种可能性使得量子井红外探测器在应用中获得了更高的光电流敏感性和有效性。最终，QWIP 技术的稳定性和广泛应用前景，使得未来在各类研究和实际应用中潜力无限。科学家们不禁思考：在日益增长的科技需求下，还会有哪些新突破等待我们去发现?
