仰望星空，逐梦红外世界的星辰大海

月亮里是否真的有广寒宫？每当夜幕来临、皓月升空，相信你一定也跟凌小云一样有过类似的疑问。天文学家卡尔.萨根曾经说过:“每个人在他们幼年的时候都是科学家,因为每个孩子都和科学家一样,对自然界的奇观满怀着好奇和敬畏。”

如今，红外光谱技术的快速发展，把原本神秘的天体一点点拉近到眼前，真真正正让我们开始看到头顶的星空，无论是恒星、行星还是星云...今天，就来了解下红外探测在夜天文研究的应用。干货多多，天文工作者、天文爱好者们不要错过哦！

▲红外星系图，经过伪彩处理

N O.1
JHK波段，天文观测的“大气窗口”

红外探测是通过观测目标与背景之间的红外辐射差值来实现目标信息的区分。我们知道，天体到达地球表面的辐射能量一半左右属于红外辐射，然而在通过大气层的过程中会产生衰减。这是由于大气中包含 H2O、CO2 等气体，以及灰尘、烟雾、云等悬浮物，它们对红外辐射有强烈的散射和吸收，导致红外传输的衰减，这也是影响近红外谱段地基天文观测的主要噪声来源。那么，天文学家们是如何观测到来自宇宙深处天体的暗淡星光呢？这里就不得不提下“大气窗口”了。

红外辐射吸收较弱，透过率较高的区域，也被称为“大气窗口”。从下图中可以看到，在1.17~2.31um存在J,H,K三个近红外大气窗口，或是在地面大气窗口2.5~5um波段。

大气透过率与波长曲线及分子吸收光谱图

近红外波段的定义图，J：1170nm~1330nm；H：1490nm~1780nm；K：1990nm~2310nm

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JHK波段红外探测器件：MCT以及InGaAs

当探测器响应波段与光谱范围较好吻合时，探测器能获得目标更多的辐射能量。目前，在JHK波段上具有探测优势的探测器器件主要有制冷MCT器件以及InGaAs器件。

先来认识一下MCT。

MCT (HgCdTe，碲镉汞) 这种材料研制的探测器几乎可以覆盖所有重要的红外大气窗口，可用于1-3μm 波段的红外探测。此外 HgCdTe 材料还具有许多可贵的性质，HgCdTe 材料制备的红外探测器在短波红外波段也有较好的性能。例如探测器噪声低，探测率高；介电常数小，减小了器件电容，提高了频率响应；电子迁移率高；载流子寿命长；本征跃迁，吸收系数大，量子效率高；表面生长的氧化物化学稳定，可得到表面态密度低的半导体—氧化物界面；热膨胀系数比较接近硅，易于制造与硅 CCD混成的阵列器件等。

推荐一个J H K波段的MCT探测器器件：C-RED ONE，专门针对夜天文应用，为迎合具体响应波段需求并保证量子效率，J,H,K波段相应制冷滤光片可定制。

制冷MCT C-RED ONE器件优点：

• 一机实现1~2.5um全谱段覆盖、大于70%量子效率，选配H/K波段增透镀膜选项，进一步降低客户集成繁琐度；

• 80K/ -193℃深度制冷——小于1e-噪声；

• 24μm大像元——高灵敏度；

• eAPD MCT雪崩增益提升探测率(C-RED ONE 相机特有功能)

C-RED One量子效率及温度关系图

C-RED ONE 在H K波段下增透膜透过率

再来了解一下InGaAs。

InGaAs是制造短波红外探测器的主要材料之一，随着InGaAs材料和芯片制作工艺的不断成熟，相较于其他材料，采用InGaAs材料制备的探测器由于高量子效率、高迁移率、高探测率、低成本等优势，是目前短波红外探测器的很好选择。InGaAs器件优点：

1. 在1~2.3um相应较高、探测率高——可获得最 佳的信号相应；

2. 有多种截止波长的子型号探测器，常温下覆盖更多谱段（如C-RED 2 和C-RED 2 ER）;

3. 配合制冷到-40℃下可实现较低的噪声，相应谱段向左移动，但噪声更低；

4. 响应波段越长噪声越大、暗电流越大，所以有必要选配滤光片；

5. 片上制冷体积小，易于安装到复杂光学系统中；

C-RED 2正是在JH波段的InGaAs探测器器件之一，作为一款高灵敏度的短波红外相机，量子效率超过70%（0.9~1.7μm）。同时，高标准的芯片像元可用率（＞99%）与相应均匀性，高帧率下C-RED 2的成像堪比与CCD品质，这也为其在天文应用提供了新的成像机会。NDR模式是C-RED2相机特有的对于弱信号探测的功能，通过多次采集叠加信号、去除本地的图像处理方式，用来成像弱信号。

C-RED 2量子效率及温度关系图

C-RED 2 ER系列相机具有高帧频、高灵敏度、低噪声的短波红外拓展谱段，共有两个版本：1.1~1.9um和1.3~2.2um，在1.4~2um段具有超过70%的量子效率，且读出噪声低至60个电子，同样具有NDR模式。其中，C-RED 2 ER 1.9um(1.1~1.9um)更适用于JH波段探测。而C-RED 2 ER 2.2um(1.3~2.2um)则扩展了短波波长内对夜天文探测的范围，更适用于HK波段探测。

C-RED 2 ER1.9um 量子效率及温度关系图

C-RED 2 ER 2.2um量子效率及温度关系图

NO.3
JHK波段天文系统的设计原则及工作流程

想要深入研究夜天文，选择合适的J H K波段的探测器器件还只是第 一步，我们还需要一套行之有效的JHK波段天文系统。下图是西藏阿里和南极昆仑站-系统光学设计方案，响应波长覆盖J H K波段。

西藏阿里和南极昆仑站-系统光学设计方案

总体框架图

可以发现，系统设计整体遵循了三个原则：

1. 系统需考虑集成化、简洁化，体积小、易于安装；

2. 为符合三个谱段J H K，不同谱段采用独立滤光片；

3. 不同波长需调整探测器位置，使探测器处于光路焦平面上。

J H K波段天文系统内部模块关系图

需要注意的是，当探测波段为K时、亦或为提升信噪比，为排除入射光和环境中热辐射对成像的噪声影响，从镜筒部分必须制冷。另外，标准黑体为可拆卸，一旦标定结束可移开，且J H K的黑体要求是通用的。

探索浩瀚未知的宇宙，解码自然演化的奥秘，凌云光在天文应用方向拥有丰富经验，不止提供红外探测器，也提供相应解决方案，希望能够高效助力红外天文的观测研究，真正推动红外天文观测研究多出结果、出好成果，逐梦红外世界的星辰大海…

参考来源：

《近红外天光背景测量系统中的若干关键技术研究》，中国科学技术大学，董书成，2018.5