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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Design Method and System of Photonic Conversion Chip for Infrared Radiation Generation

【技术实现步骤摘要】
用于红外辐射生成的光子转换晶片的设计方法和系统
本专利技术涉及红外辐射生成
，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。
技术介绍
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
的双光子无源红外上转换成像器件制造方法。步骤如下：(1)确定双光子无本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。...

【专利技术属性】
技术研发人员：田义，李艳红，李奇，王帅豪，沈涛，孟宇麟，李凡，杨扬，柴娟芳，张励，史松伟，孙刚，
申请(专利权)人：上海机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31