中波红外3~5 μm波段以及长波红外8~12 μm波段的激光处于大气传输窗口, 在激光成像、环境监测、激光雷达、激光医疗、化学遥感和红外对抗等领域有着非常广阔的应用前景。基于非线性光学晶体, 采用光学非线性频率变换技术在实现中长波红外固体激光输出方面具有明显的技术优势。该方法激光器结构简单, 且晶体本身并不参与能量交换, 因而没有量子亏损, 从而产热很少。同时具有单色性好、宽调谐、高功率等优点。本文针对常用以及新型非线性光学晶体, 对其应用于中长波红外固体激光器的研究进展做了详细的总结。

采用分子束外延工艺方法生长的 InAs/GaSb二类超晶格材料因其独特的能带断带结构, 极大地降低了俄歇复合暗电流, 且其较大的电子有效质量使得隧穿电流进一步降低, 因此超晶格材料成为国内外红外领域研究关注的重点。本文介绍的超晶格中长波双色探测器采用 npn背靠背结构, 阵列规模为 320×256, 像元中心距为 30 .m。其中测得 80 K温度下, -0.1 V偏压工作时中波 50%截止波长为4.5 .m, 0.17 V偏压工作时长波 50%截止波长为 10.5 .m, 对应的峰值量子效率为 45%、33%, 相应的暗电流密度为 5.94×10-7 A/cm2@-0.1 V、1.72×10-4 A/cm2@0.17 V, NETD为 16.6 mK、15.6 mK。

报道了使用分子束外延（Molecular beam epitaxy，MBE）技术，在（211）B碲镉汞（CdZnTe，CZT）衬底上生长中长波双色碲镉汞（HgCdTe，MCT）薄膜材料，生长温度为180℃，研究了双色碲镉汞薄膜材料衬底脱氧技术、分子束外延薄膜生长温度与缓冲层生长等关键技术，实现了中长波双色碲镉汞薄膜生长，外延薄膜采用相差显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、二次离子质谱仪（SIMS）及X射线衍射仪（XRD）对薄膜的表面缺陷、厚度、组分及其均匀性、薄膜纵向组分以及晶体质量进行了表征，表面缺陷数量低于600 cm^－2，组分（300 K测试）和厚度均匀性分别为Δx≤0.001、Δd≤0.9μm，X-Ray双晶衍射摇摆曲线FWHM＝65 arcsec，得到了质量较高的中长波双色碲镉汞薄膜材料。

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS), 分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论, 通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构, 通过光学设计软件优化, 矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差；在中波和长波双谱段范围内, 前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构, 点列图结果显示, 后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0 μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接, 最终得到了视场角为1.5°, 中波通道F数为4, 长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内, 整体系统的点列图RMS值小于10.7 μm, MTF在探测器的特征频率17 lp/mm处大于0.5, 具有良好的成像效果。

采用微加工工艺在Si衬底上制备了微柱和微锥阵列, 结合光学建模分析, 研究了结构参数对中长波(2.5~9 μm)红外光反射率的影响规律。使用严格耦合波分析方法(RCWA)计算的微结构反射光衍射效率与傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)测试的反射率结果吻合较好。研究结果表明, Si基微结构对TM及TE偏振光均有良好的红外光减反特性, 微锥结构具有更好的减反效果, 2.5~6.5 μm中红外偏振光的反射率低至2%, 同时表现出良好的宽谱与广角度减反特性。

报道了中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制。通过特殊设计的器件和读出电路结构，获得了可对中波波段和长波波段选择的切换架构。突破了双色量子阱材料、器件以及读出电路等关键技术，研制出384×288规模、25 μm中心距双色量子阱红外焦平面探测器。在70 K条件下器件性能优良，噪声等效温差为28 mK(中波)和30 mK(长波)，响应峰值波长分别为5.1 μm(中波)和8.5 μm(长波)。室温目标红外成像演示了探测器的双色探测功能。

将少量氮原子加入III-V族半导体后可引起能带减小，因此这种方法可以用来实现能带结构裁剪。这种新型稀氮化物显示出了奇特的物理性质，并且具有应用 于新型光电器件的潜力。特别是，备受关注的稀氮InAsN和InSbN在中长波红外光电材料上具有巨大的应用价值，并将在中长波红外器件应用领域发挥重要的作用。

阐述了中长波红外光波导器件的设计理念和用途。在介绍该领域的研究成果和最新进展的基础上，以应用在波长为10.6μm的硅基光波导器件为例介绍了实现低损耗波导的方法。