月亮里是否真的有廣寒宮？每當夜幕來臨、皓月升空，相信你一定也跟凌小云一樣有過類似的疑問。天文學家卡爾.薩根曾經說過:“每個人在他們幼年的時候都是科學家,因為每個孩子都和科學家一樣,對自然界的奇觀滿懷著好奇和敬畏。”

如今，紅外光譜技術的快速發展，把原本神秘的天體一點點拉近到眼前，真真正正讓我們開始看到頭頂的星空，無論是恒星、行星還是星云…今天，就來了解下紅外探測在夜天文研究的應用。干貨多多，天文工作者、天文愛好者們不要錯過哦！

▲紅外星系圖，經過偽彩處理

紅外探測是通過觀測目標與背景之間的紅外輻射差值來實現目標信息的區分。我們知道，天體到達地球表面的輻射能量一半左右屬于紅外輻射，然而在通過大氣層的過程中會產生衰減。這是由于大氣中包含 H2O、CO2 等氣體，以及灰塵、煙霧、云等懸浮物，它們對紅外輻射有強烈的散射和吸收，導致紅外傳輸的衰減，這也是影響近紅外譜段地基天文觀測的主要噪聲來源。那么，天文學家們是如何觀測到來自宇宙深處天體的暗淡星光呢？這里就不得不提下“大氣窗口”了。

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紅外輻射吸收較弱，透過率較高的區域，也被稱為“大氣窗口”。從下圖中可以看到，在1.17~2.31um存在J,H,K三個近紅外大氣窗口，或是在地面大氣窗口2.5~5um波段。

?大氣透過率與波長曲線及分子吸收光譜圖

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近紅外波段的定義圖，J：1170nm~1330nm；H：1490nm~1780nm；K：1990nm~2310nm

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當探測器響應波段與光譜范圍較好吻合時，探測器能獲得目標更多的輻射能量。目前，在JHK波段上具有探測優勢的探測器器件主要有制冷MCT器件以及InGaAs器件。

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先來認識一下MCT。

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MCT (HgCdTe，碲鎘汞) 這種材料研制的探測器幾乎可以覆蓋所有重要的紅外大氣窗口，可用于1-3μm 波段的紅外探測。此外 HgCdTe 材料還具有許多可貴的性質，HgCdTe 材料制備的紅外探測器在短波紅外波段也有較好的性能。例如探測器噪聲低，探測率高；介電常數小，減小了器件電容，提高了頻率響應；電子遷移率高；載流子壽命長；本征躍遷，吸收系數大，量子效率高；表面生長的氧化物化學穩定，可得到表面態密度低的半導體—氧化物界面；熱膨脹系數比較接近硅，易于制造與硅 CCD混成的陣列器件等。

推薦一個J H K波段的MCT探測器器件：C-RED ONE，專門針對夜天文應用，為迎合具體響應波段需求并保證量子效率，J,H,K波段相應制冷濾光片可定制。

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制冷MCT C-RED ONE器件優點：

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• 一機實現1~2.5um全譜段覆蓋、大于70%量子效率，選配H/K波段增透鍍膜選項，進一步降低客戶集成繁瑣度；

• 80K/ -193℃深度制冷——小于1e-噪聲；

• 24μm大像元——高靈敏度；

• eAPD MCT雪崩增益提升探測率(C-RED ONE 相機特有功能)

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C-RED One量子效率及溫度關系圖

C-RED ONE 在H K波段下增透膜透過率

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再來了解一下InGaAs。

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InGaAs是制造短波紅外探測器的主要材料之一，隨著InGaAs材料和芯片制作工藝的不斷成熟，相較于其他材料，采用InGaAs材料制備的探測器由于高量子效率、高遷移率、高探測率、低成本等優勢，是目前短波紅外探測器的很好選擇。InGaAs器件優點：

1. 在1~2.3um相應較高、探測率高——可獲得最佳的信號相應；

2. 有多種截止波長的子型號探測器，常溫下覆蓋更多譜段（如C-RED 2 和C-RED 2 ER）;

3. 配合制冷到-40℃下可實現較低的噪聲，相應譜段向左移動，但噪聲更低；

4. 響應波段越長噪聲越大、暗電流越大，所以有必要選配濾光片；

5. 片上制冷體積小，易于安裝到復雜光學系統中；

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C-RED 2量子效率及溫度關系圖

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C-RED 2 ER1.9um 量子效率及溫度關系圖

C-RED 2 ER 2.2um量子效率及溫度關系圖

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想要深入研究夜天文，選擇合適的J H K波段的探測器器件還只是第一步，我們還需要一套行之有效的JHK波段天文系統。下圖是西藏阿里和南極昆侖站-系統光學設計方案，響應波長覆蓋J H K波段。

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?西藏阿里和南極昆侖站-系統光學設計方案

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總體框架圖

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可以發現，系統設計整體遵循了三個原則：

1. 系統需考慮集成化、簡潔化，體積小、易于安裝；

2. 為符合三個譜段J H K，不同譜段采用獨立濾光片；

3. 不同波長需調整探測器位置，使探測器處于光路焦平面上。

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J H K波段天文系統內部模塊關系圖

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需要注意的是，當探測波段為K時、亦或為提升信噪比，為排除入射光和環境中熱輻射對成像的噪聲影響，從鏡筒部分必須制冷。另外，標準黑體為可拆卸，一旦標定結束可移開，且J H K的黑體要求是通用的。

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探索浩瀚未知的宇宙，解碼自然演化的奧秘，凌云光在天文應用方向擁有豐富經驗，不止提供紅外探測器，也提供相應解決方案，希望能夠高效助力紅外天文的觀測研究，真正推動紅外天文觀測研究多出結果、出好成果，逐夢紅外世界的星辰大海…

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參考來源：

《近紅外天光背景測量系統中的若干關鍵技術研究》，中國科學技術大學，董書成，2018.5