多波段SWIR光电探测器件及其制备方法和成像系统

本发明涉及光电探测，具体是一种多波段swir光电探测器件及其制备方法和成像系统。

背景技术：

1、1.5-2.0微米的短波红外光为人眼安全波长，光通讯波段，大气传输窗口，因此设计一种具有选择性检测近红外-短波红外光(nir-swir)的光电探测器，实现一种灵敏度高的近红外-短波红外的多波段选择性光电探测器在光通讯、环境监测、激光雷达、激光医疗及军事等领域意义非凡。

2、目前普遍使用的是ingaas焦平面阵列探测器，其是一种混成式swir成像器件，由ingaas探测器阵列与cmos读出电路倒装互连而成。然而，焦平面器件技术涵盖光电子与微电子技术范畴，器件结构复杂，技术难度大，对设计、工艺、产品化等技术均有较高要求。国外主要厂商对ingaas焦平面阵列探测器产品严格禁运，与国外技术相比，国内的ingaas焦平面探测器在面阵规模、探测灵敏度、可靠性水平、产品成本等方面尚存在较大差距，在民品领域的应用推动有待产品技术水平的进一步提高。在这种情况下，短波红外ingaas焦平面阵列探测器在国内民品市场的广泛应用受到很大限制。

3、商用的硅(si)光电探测器是光电器件重要的组成部分，是可见光(vis)和nir波段主要的探测器，室温条件下具有很高的灵敏度，且封装后具有良好的长时稳定性。此外，si探测器还可与一些附件结合，如滤光片(长波滤光片和带通滤光片)、前置放大器、光纤连接器，从而应用在工业控制系统、气体分析、热传感器以及光纤测试设备中，具有广泛的应用前景。然而，一般si探测器的工作波长在0.3-1.0微米，难以实现对swir的选择性检测。稀土掺杂上转换纳米晶(ucncs)因其4f电子构型，而具有nir-swir窄带吸收特性，这使得他们具有nir-swir光子转换的能力，如将1150，1208，1500，以及2300nm的光子通过anti-stokes过程转换成vis-nir光子。目前，已经实现了基于ucnps的nir窄带pds(半峰宽约30-50nm)，比探测率d*＝～108-11jones。因此，ucnps被认为是制备窄带nirpds适合的光活性材料。然而，到目前为止基于ucncs的可视化成像swir窄带光电探测器件尚未被报道，尤其是用于1550nm与2300nm波段的，这对光通信、军事、环境监测、激光雷达和工业成像至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多波段swir光电探测器件，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种多波段swir光电探测器件，包括探测器，所述探测器上设有可以分别受1150nm、1208nm、1500nm以及2300nm的光激发产生vis-nir的光的第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒；

4、其中，所述第一上转换纳米颗粒为掺杂有ho和yb元素的核-壳-壳结构的nayf4上转换纳米材料；所述第二上转换纳米颗粒为掺杂有tm和yb元素的核-壳-壳结构的nayf4上转换纳米材料；所述第三上转换纳米颗粒为掺杂有er和yb元素的核-壳-壳结构的nayf4上转换纳米材料；所述第四上转换纳米颗粒为掺杂有ho和yb元素的核-壳-壳结构的nayf4上转换纳米材料。

5、优选地，所述第一上转换纳米颗粒包括掺杂有ho的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，ho的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

6、优选地，所述第二上转换纳米颗粒包括掺杂有tm的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，tm的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

7、优选地，所述第三上转换纳米颗粒包括掺杂有er的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，er的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

8、优选地，所述第四上转换纳米颗粒包括掺杂有ho的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，ho的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

9、优选地，所述探测器为si基探测器。

10、本发明实施例的另一目的在于提供一种上述多波段swir光电探测器件的制备方法，其包括以下步骤：

11、通过溶剂热法分别合成上述第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒；

12、将第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒分别溶解于环己烷后，再旋涂在探测器上，得到所述多波段swir光电探测器件。

13、本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制得的多波段swir光电探测器件。

14、本发明实施例的另一目的在于提供一种成像系统，包括工业相机以及上述的多波段swir光电探测器件。

15、本发明提供的多波段swir光电探测器件可用于对1150nm、1208nm、1500nm以及2300nm的swir进行检测，并实现夜间多波段swir的可视化成像。其中，第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒可以分别在1150nm、1208nm、1500nm以及2300nm的激光照射下通过anti-stokes过程将激发光转换成vis-nir光，进而被si基等探测器有效捕获实现窄带探测。相比于普通si基等探测器，本发明通过将探测器与第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒相结合后能够拓宽其响应波段至短波红外区，并实现对于swir的窄带光探测。另外，本发明供的多波段swir光电探测器件与200万高清近红外700-1000nm窄带工业相机结合，可用于夜间短波红外可视化成像。

16、相比于市面上常用的ingaas焦平面阵列探测器，本发明提供的多波段swir光电探测器件的设计结构简单，成本低廉，稳定性好，具有大规模生产制备的优势。利用上转换纳米材料的窄带吸收以及anti-stokes发光性质，可以创新性地实现对swir的窄带检测，更有利于器件在生产、军事等多领域内的广泛应用。

技术特征：

1.一种多波段swir光电探测器件，包括探测器，其特征在于，所述探测器上设有可以分别受1150nm、1208nm、1500nm以及2300nm的光激发产生vis-nir的光的第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒；

2.根据权利要求1所述的一种多波段swir光电探测器件，其特征在于，所述第一上转换纳米颗粒包括掺杂有ho的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，ho的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

3.根据权利要求1所述的一种多波段swir光电探测器件，其特征在于，所述第二上转换纳米颗粒包括掺杂有tm的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，tm的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

4.根据权利要求1所述的一种多波段swir光电探测器件，其特征在于，所述第三上转换纳米颗粒包括掺杂有er的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，er的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

5.根据权利要求1所述的一种多波段swir光电探测器件，其特征在于，所述第四上转换纳米颗粒包括掺杂有ho的nayf4、掺杂有yb的nayf4以及nayf4；其中，ho的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％，yb的掺杂量以摩尔分数计为5％-80％。

6.根据权利要求1所述的一种多波段swir光电探测器件，其特征在于，所述探测器为si基探测器。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述多波段swir光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种采用权利要求7所述制备方法制得的多波段swir光电探测器件。

9.一种成像系统，包括工业相机，其特征在于，还包括权利要求1-6和8中任一项所述的多波段swir光电探测器件。

技术总结
本发明公开了一种多波段SWIR光电探测器件及其制备方法和成像系统，其属于光电探测技术领域，其中，多波段SWIR光电探测器件包括探测器，所述探测器上设有第一上转换纳米颗粒、第二上转换纳米颗粒、第三上转换纳米颗粒、第四上转换纳米颗粒；其中，所述第一上转换纳米颗粒为掺杂有Ho和Yb元素的核‑壳‑壳结构的NaYF<subgt;4</subgt;上转换纳米材料；所述第二上转换纳米颗粒为掺杂有Tm和Yb元素的核‑壳‑壳结构的NaYF<subgt;4</subgt;上转换纳米材料；所述第三上转换纳米颗粒为掺杂有Er和Yb元素的核‑壳‑壳结构的NaYF<subgt;4</subgt;上转换纳米材料；所述第四上转换纳米颗粒为掺杂有Ho和Yb元素的核‑壳‑壳结构的NaYF<subgt;4</subgt;上转换纳米材料。本发明实现了对SWIR的多波段窄带光电探测及黑暗条件下的可视化成像。

技术研发人员：董斌,季亚楠,徐文,周博明,赵赫然,曹鹏,鲍民杰,程惠宁
受保护的技术使用者：大连民族大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15