CN110222365A - 用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统 - Google Patents

用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统，选定材料折射率及厚度，确定所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率以及图像温度范围；根据折射率计算出材料的反射率及光谱发射率的最大调制，推算得出晶片的加热温度；获得模拟所需的最低发射率，推算总吸收系数变化范围，计算出吸收系数的变化范围，确定复介电常数虚部的变化范围，计算出载流子浓度变化的范围，计算得到的载流子浓度的最小值记为晶片的掺杂浓度；确定载流子寿命，计算得到的载流子浓度的最大值记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度。本发明能够实现基于光子诱导半导体红外辐射转换芯片的设计，为红外目标模拟装置的研制提供重要途径。

Description

用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统
技术领域
本发明涉及红外辐射生成技术领域，具体涉及一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统。
背景技术
为了在实验室环境内为红外探测或成像系统提供逼近户外真实场景的红外物理辐射信号，就需要红外场景模拟装置。目前常用的红外场景模拟装置有电阻阵(唐善军等，基于MOS电阻阵半实物仿真的红外场景生成技术[J]，系统仿真学报，2018)、DMD(康为民等，数字微镜阵列红外动态景象模拟器的研制[J]，红外与激光工，2008)、光纤面阵(周朗，李卓等，基于MEMS技术的动态红外场景模拟技术[J]，空天防御，2018)等。其中一种新型的模拟装置是光子诱导动态红外辐射模拟装置，其核心是光子转换晶片。通过入射可见光或近红外的高能光子诱导光子转换晶片中载流子的生成调节晶片内载流子的浓度，进而调制晶片的吸收系数和发射率，材料由透明态变为灰体或黑体，热能以低能红外光子辐射形式发射，最终实现光子能量的下转换。
与本申请相关的现有技术是专利文献CN101299434B，公开了半导体光电探测技术领域的双光子无源红外上转换成像器件制造方法。步骤如下：(1)确定双光子无源红外上转换成像器件为金属金-宽带隙半导体-窄带隙半导体-宽带隙半导体-金属金的结构，选择不同的半导体材料结构实现不同波长的双光子无源上转换，确定宽带隙半导体和窄带隙半导体的材料结构参数；(2)用分子束外延方法先生长无源上转换半导体器件结构，然后在器件结构上下表面分别沉积金膜，即可得到双光子无源红外上转换成像器件。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统。
根据本发明提供的一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
优选地，所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，包括以下步骤：
参数输入步骤：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定步骤：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算步骤：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算步骤：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
优选地，所述温度设定步骤包括：
步骤A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
步骤A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
步骤A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
优选地，所述电导率计算步骤包括：
步骤B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
步骤B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
步骤B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
步骤B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
步骤B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
步骤B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
优选地，所述泵浦光参数计算步骤包括：
步骤C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
步骤C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
步骤C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
步骤C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
根据本发明提供的一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
优选地，所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，包括以下模块：
参数输入模块：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定模块：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算模块：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算模块：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
优选地，所述温度设定模块包括：
模块A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
模块A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
模块A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
优选地，所述电导率计算模块包括：
模块B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
模块B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
模块B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
模块B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
模块B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
模块B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
优选地，所述泵浦光参数计算模块包括：
模块C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
模块C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
模块C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
模块C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明能够实现基于光子诱导动态红外目标模拟器的核心光子转换芯片的设计，满足不同应用环境下的红外场景模拟装置的性能指标要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一种红外图像模拟的光子转换晶片参数的设计方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
具体地，所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，包括以下步骤：
参数输入步骤：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定步骤：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算步骤：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算步骤：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
具体地，所述温度设定步骤包括：
步骤A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
步骤A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
步骤A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
具体地，所述电导率计算步骤包括：
步骤B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
步骤B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
步骤B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
步骤B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
步骤B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
步骤B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
具体地，所述泵浦光参数计算步骤包括：
步骤C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
步骤C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
步骤C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
步骤C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
根据本发明提供的一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
具体地，所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，包括以下模块：
参数输入模块：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定模块：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算模块：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算模块：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
具体地，所述温度设定模块包括：
模块A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
模块A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
模块A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
具体地，所述电导率计算模块包括：
模块B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
模块B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
模块B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
模块B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
模块B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
模块B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
具体地，所述泵浦光参数计算模块包括：
模块C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
模块C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
模块C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
模块C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
本发明提供的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，可以通过用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法的步骤流程实现。本领域技术人员可以将用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法理解为所述用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统的优选例。
在一个实施例中，本发明的方法具体包括如下14个步骤：
步骤1：确定材料、材料折射率n、模拟系统需要模拟的初始温度；
步骤2：根据材料折射率，计算出材料的反射率R；
步骤3：根据光谱发射率和反射率的关系，计算出光谱发射率的理想调制范围；
步骤4：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，用最大调制发射率和模拟系统需要模拟的初始温度，推算出晶片应加热的温度；同理，得到最低温度模拟所需的发射率；实际过程中需要考虑反射率可能的实际范围，反推光子转换晶片应加热的温度；
步骤5：根据发射率、反射率和吸收系数的关系式，推算总吸收系数η变化范围；
步骤6：根据αIRL和总吸收系数η的关系，以及Si片厚度，计算出吸收系数α的变化范围；
步骤7：根据吸收系数变化范围和衰减系数虚部表达式，确定kim衰减系数的变化范围；
步骤8：根据吸收系数与复介电常数的关系，计算出载流子浓度变化范围；
步骤9：由载流子浓度最小值确定晶片的掺杂浓度；
步骤10：根据生成红外图像的空间分辨率确定扩散长度LD；
步骤11：结合最大载流子浓度和查询确定的扩散系数D，计算得到载流子寿命；
步骤12：最大载流子浓度主要由载流子的寿命、载流子生成速率等因素决定，由此确定载流子生成速率；
步骤13：根据载流子生成速率，确定所需的泵浦波长和泵浦功率密度，泵浦波长的确定需要隐含的考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率等因素；
步骤14：根据连续性方程的稳态模型求解式和上述步骤得到的参数值，得到在特定泵浦激光波长下的泵浦功率密度。
如图1所示，在另一个实施例中，本发明的一种红外图像模拟的光子转换晶片参数的设计方法，步骤如下：
步骤1输入参数设计，具体包括：
(1)光子转换晶片材料折射率n＝3.4205，厚度L＝0.5mm；
(2)确定所需模拟的图像帧周期t＝1ms；
(3)确定所需模拟的图像空间分辨率d＝100μm；
(4)所需模拟的黑体温度T0min＝300K，T0max＝450K。
步骤2加热温度设计，具体包括：
(1)晶片表面反射率按照式(1)计算得到R＝30％。
(2)根据公式(2)至(3)可知光谱发射率最大值Emax＝0.7。
(3)实际中为了留有冗余，Emax一般不取最大值0.7，这里设定Emax＝0.6，由公式(6)得到温度T＝512K。
步骤3晶片电导率设计，具体包括：
(1)最低温度模拟所需的发射率，由T0min＝300K，根据公式(7)可得Emin＝0.12。
(2)对应晶片表面发射率E从0.12至0.6的调制，根据式(9)，η变化范围应当从0.19至0.88。
(3)由公式(9)可知，α的变化范围是2.67cm-1～32.95cm-1。
(4)进一步根据公式(10)推出κim＝8.5×10-5～0.001，其中红外波长λ＝4μm。
(5)根据式(11)，计算得到载流子浓度应当在1.36×1023m-3至1.68×1024m-3。
(6)取E＝0.12，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin＝1.36×1023m-3就是晶片的掺杂浓度。
步骤4：泵浦光参数设计，具体包括：
(1)图像空间分辨率需求为100μm，则估算扩散长度LD＝100μm。扩散系数D＝10cm2/s，根据公式(15)知有效载流子寿命为10μs。假设所需图像帧周期1ms，按可实现最大帧频为τeff/8估算τeff应当小于125μs。结合上述两种结算结果，τeff取10μs。
(2)取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax＝1.68×1024m-3就是最大载流子浓度。
(3)选取泵浦光波长，这里给出两个示例，泵浦光波长532nm和1064nm。复折射率分别是4.1500+0.0680i(@512K)和3.6050+0.000173i(@300K)。由于未查询到1064nm时在512K时的折射率和吸收系数，这里用300K时的参数进行估算。
(4)根据式(16)可推算出：泵浦波长为532nm时，所需泵浦功率密度应当达到5012W/cm2。泵浦波长为1064nm时，所需泵浦功率密度应当达到3603.5W/cm2。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，其特征在于，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
2.根据权利要求1所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
参数输入步骤：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定步骤：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算步骤：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算步骤：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
3.根据权利要求2所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，其特征在于，所述温度设定步骤包括：
步骤A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
步骤A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
步骤A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
4.根据权利要求2所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，其特征在于，所述电导率计算步骤包括：
步骤B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
步骤B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
步骤B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
步骤B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
步骤B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
步骤B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
5.根据权利要求2所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法，其特征在于，所述泵浦光参数计算步骤包括：
步骤C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
步骤C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
步骤C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
步骤C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
6.一种用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，其特征在于，确定选定材料类型及厚度，根据所需模拟的图像帧周期、图像空间分辨率、图像温度范围，得到了基于光子诱导红外辐射生成的光子转换的设计参数。
7.根据权利要求6所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，其特征在于，包括以下模块：
参数输入模块：选定材料折射率n及厚度L，确定所需模拟的图像帧周期t，确定所需模拟的图像空间分辨率d，确定所需模拟的图像温度范围从最低温T0min到最高温T0max；
温度设定模块：根据折射率n计算出材料的反射率R，根据反射率R计算出光谱发射率的最大调制Emax，根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，推算得出晶片的加热温度T；
电导率计算模块：基于加热温度T和最低温T0min，获得模拟所需的最低发射率Emin，推算总吸收系数η变化范围，计算出吸收系数α的变化范围，确定复介电常数虚部kim的变化范围，计算出载流子浓度变化N的范围，计算得到的载流子浓度N的最小值Nmin记为晶片的掺杂浓度；
泵浦光参数计算模块：确定载流子寿命τeff，计算得到的载流子浓度N的最大值Nmax记为最大载流子浓度，选取泵浦光波长，计算得到泵浦功率密度PLaser。
8.根据权利要求7所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，其特征在于，所述温度设定模块包括：
模块A1：根据选定材料的折射率n和公式(1)计算出材料的反射率R。
模块A2：计算出光谱发射率Espectrum：
其中，η是晶片在某辐射波长的总吸收系数，当η趋于0时，得到光谱发射率的最大调制Emax，
Emax＝1-R (3)
模块A3：根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐射能j表示为：
j＝εσT4 (4)
其中，σ是比例常数，ε是发射率，用最大调制发射率ε＝Emax及加热温度T，设定ε＝1，将最高温度T0max，分别代入公式(4)得到：
由此，推算出晶片的加热温度T：
9.根据权利要求7所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，其特征在于，所述电导率计算模块包括：
模块B1：将所需模拟的图像最低温度T0min可由公式(7)获得模拟所需的最低发射率Emin，
模块B2：由公式(3)和公式(7)可知对应发射率的调制范围E＝Emin至Emax，根据式(8)，推算总吸收系数η变化范围，
模块B3：根据设定的晶片厚度L和公式(6)，计算出吸收系数α的变化范围，
α＝-ln(η)/L (9)
模块B4：确定复介电常数虚部kim的变化范围，
其中，π表示圆周率，λ表示所辐射的红外波长；
模块B5：计算出载流子浓度变化N的范围：
其中，q是元电荷，ε0是真空介电常数，ε∞是频率趋于无穷时材料的介电常数，me和mh分别是电子和空穴的有效质量，ωIR是红外辐射的角频率，具体表示为：
γe和γh分别可以表示为：
其中μe是电子迁移率，μh是空穴迁移率；
模块B6：取E＝Emin，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmin就是晶片的掺杂浓度。
10.根据权利要求7所述的用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计系统，其特征在于，所述泵浦光参数计算模块包括：
模块C1：扩散长度表征动态红外图像辐射的空间分辨率，根据生成红外图像的空间分辨率d，确定扩散长度LD等于d，影响图像帧周期t的主要因素是载流子寿命τeff，由材料的扩散系数D可知：
模块C2：取E＝Emax，由公式(8)至公式(11)计算得到的载流子浓度N的值Nmax就是最大载流子浓度；
模块C3：泵浦光的确定需要综合考虑材料在该波段的吸收以及吸收效率，假设选定泵浦光频率ν，其吸收系数是β；
模块C4：根据稳态模型求解式(16)和上述参数的值，得到泵浦功率密度PLaser：
其中，L是晶片的厚度，h是普朗克常数，R0是晶片对泵浦光的反射率。
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CN101299434A (zh) * 2008-06-19 2008-11-05 上海交通大学 双光子无源红外上转换成像器件制造方法
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李依桐等: "上转换单光子探测器的研究及技术进展", 《光通信技术》 *

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