CN114486788B - 一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 - Google Patents
一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114486788B CN114486788B CN202111150237.4A CN202111150237A CN114486788B CN 114486788 B CN114486788 B CN 114486788B CN 202111150237 A CN202111150237 A CN 202111150237A CN 114486788 B CN114486788 B CN 114486788B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- frequency
- imaging
- conversion
- infrared
- mid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 94
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 title description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 62
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000003330 mid-infrared imaging Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 36
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 claims description 2
- 239000012770 industrial material Substances 0.000 claims description 2
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005090 crystal field Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000012984 biological imaging Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- MCMSPRNYOJJPIZ-UHFFFAOYSA-N cadmium;mercury;tellurium Chemical compound [Cd]=[Te]=[Hg] MCMSPRNYOJJPIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- WYOHGPUPVHHUGO-UHFFFAOYSA-K potassium;oxygen(2-);titanium(4+);phosphate Chemical compound [O-2].[K+].[Ti+4].[O-]P([O-])([O-])=O WYOHGPUPVHHUGO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
- H04N5/33—Transforming infrared radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/20—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from infrared radiation only
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/50—Constructional details
- H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/56—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof provided with illuminating means
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/95—Computational photography systems, e.g. light-field imaging systems
- H04N23/957—Light-field or plenoptic cameras or camera modules
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明提供了一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术，用于实现大视场、超灵敏、无需机械扫描、单次快速的中红外波段成像。本发明主要包括：非线性频率上转换技术，将中远红外波段光子通过非线性相干频移转换到可见光波段，再结合性能卓越的硅基材料成像器件实现超灵敏的成像探测；采用啁啾极化晶体作为非线性介质，使得不同角度的入射信号都能够有效匹配不同的反转周期，并获得高效率的频率转换，从而大幅提升频率上转换成像的视场角，能够最终实现兼具高灵敏、高分辨、高速度、大面阵的室温中红外成像。可广泛应用于军事目标预警、生物细胞组织成像、形貌分析等军事、医学以及民用工业领域。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置。
背景技术
实现中红外波段超灵敏探测一直以来都是国际研究热点，不仅推动着红外精密光谱学、红外超快光子学以及红外空间天文学等诸多基础研究的发展，而且在自由空间通信、导弹成像跟踪定位等重大军事国防领域也有着重要应用，同时也被广泛用于空气污染监测、材料处理等民用工业方面。此外，红外成像技术具有作用距离远、抗干扰性好、穿透雾霾能力强、可全天候全天时工作等优点，可被广泛应用于军事目标的探测与识别，以及材料缺陷检测、形貌分析、生物成像检测等军事、工业以及生物医学领域。
目前，基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)的中红外成像仪通常需要制冷，在低温下运行，整体所需结构复杂、探测效率较低；且基于红外焦平面阵列探测器的成像技术由于加工材料和制造工艺等因素的影响，使得探测单元之间存在响应的非均匀性及盲元等问题会导致成像质量的下降，且灵敏度相对于工作在可见光波段的Si探测器而言依旧相差甚远。鉴于现有的中远红外成像探测器响应速度慢、灵敏度低、噪声大、像素少等等固有缺陷，非线性频率上转换成像技术在近年来得到了迅速发展，其通过非线性和频过程将红外光场转换到可见光波段，从而充分利用性能卓越的硅基探测与成像器件，有望从一个新角度解决中远红外超灵敏成像的难点问题。但是现在的频率上转换探测技术，受相位匹配的限制，成像视场较小，一般依靠调节晶体相位匹配条件(如晶体温度、角度)或者移动成像目标等机械扫描的方式获得视场的拓展，导致其成像速度慢而无法实现单次大视场的超灵敏成像。
鉴于大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术在诸多领域都有着不断增长的应用需求，如空间探测、视频监控、军事目标预警、生物细胞组织成像、病理医学诊断等等，亟需发展具备大视场、超灵敏探测的中红外成像技术，其具有重要科学价值和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提出了一种基于非线性频率上转换与啁啾极化晶体的大视场超灵敏中红外成像技术。其采用非线性频率上转换技术，规避了现有中红外成像器件的不足，能够充分利用性能优越的硅基成像器件，相比于中远红外的焦平面成像探测阵列，其在室温条件下即可获得高灵敏、高速度、高分辨的中红外高性能成像；结合光学外腔增强技术，增加窄线宽连续光泵浦的有效功率，提高非线性频率转换效率，从而进一步提升信噪比；采用啁啾极化晶体作为频率上转换的非线性介质，可以使得不同角度入射的中红外信号能够匹配相应的反转周期，从而大幅拓宽入射信号的接收角，无需机械扫描即可实现二维成像，为获得大视场超灵敏的中红外成像提供有效途径。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术，用于实现中红外波段的超灵敏、大视场范围成像探测，包括如下内容：
(1)非线性频率上转换成像技术，通过非线性相干频移将中红外光子转换到可见光波段，然后利用性能卓越的硅材料探测器探测，从而实现中红外波段的超灵敏成像；
(2)采用啁啾极化晶体作为非线性介质，使得不同角度的入射信号都能够有效匹配不同的反转周期，并获得高效率的频率转换，从而大幅提升频率上转换成像的视场角；
(3)采用窄带单频的连续泵浦与光学外腔增强结构相结合，实现泵浦光强度的显著增强，从而进一步提高非线性转换效率，提升信噪比，实现中远红外光谱的高分辨、高效率的相干频移。
优选的，所述内容(1)中非线性频率上转换成像技术，能够实现中红外到可见光波段的非线性转换，在室温条件下即可获得中红外成像。
优选的，所述内容(2)具体方案如下：
设计和优化啁啾极化晶体的内禀反转结构，使得更宽角度范围内的入射红外信号能够有效匹配不同的反转周期，拓宽视场范围，实现单次大视场的频率上转换成像，并采用共线的工作方式，精简了光路，增加了非线性作用长度，在整个过程中保持较高非线性转换效率。
优选的，所述内容(3)中采用窄带单频的连续泵浦方案，能够覆盖时域上随机入射的红外信号光子，且单纵模窄线宽泵浦光源具备极高的光谱亮度，有助于提高非线性转换效率，避免激光多模竞争引起的强度抖动，适用于被动成像。
优选的，所述内容(3)中采用光学外腔增强结构，可以实现泵浦强度数量级的提升，光学谐振腔对激光横场模式进行空间滤波，可以使得腔内形成高质量的高斯光束，良好的空间模式匹配能够增加非线性频率变换的量子效率。
优选的，所述装置包括：作为泵浦光的单频连续激光器、作为信号光的中红外光源、待测物体样品、光学腔、反馈控制系统以及包含啁啾晶体在内的频率上转换系统；
所述光学腔的前后放置两个聚焦透镜，将啁啾晶体放置于两个透镜之间焦点重合的位置，组成成像系统，将功率得到初步放大的窄线宽连续激光入射至腔内，泵浦光在腔内多次往返叠加，平均功率可以得到数量级的提升；
另一路，信号光中红外光源在经过物平面后携带物体信息，通过聚焦透镜进入腔增强结构，之后，泵浦光与信号光入射进入啁啾晶体，满足相位匹配条件，通过非线性频率转换，将中红外转换到可见光波段，之后即可通过硅基CCD进行超灵敏成像探测
优选的，所述光学腔为四镜蝴蝶结行波腔，通过优化束腰位置光斑大小，同时评估腔内损耗，满足入射泵浦光场阻抗匹配，获得腔增强倍数所需光学腔精细度，此外采用全数字光学腔锁定系统实现光学腔自动锁定和智能监控，最终实现完全非线性转换所需的百瓦量级的泵浦光功率。
优选的，所述的成像系统为4f成像系统。
优选的，所述的待测物体样品包括但不限于生物细胞、工业材料、掩膜版。
优选的，所述的反馈控制系统采用光学腔智能锁定系统与高速反馈驱动元件，通过数字带宽反馈与可编程滤波技术实现谐振腔高精度锁定与长时间稳定运行，能够抑制光学腔锁定引致的强度抖动与相位噪声，增强红外上转换系统的探测性能。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用非线性频率上转换成像技术，结合可室温工作的超灵敏硅基探测阵列，规避现有中红外成像器件的不足，克服参量荧光以及黑体热辐射等造成的噪声，从而实现高灵敏、高速度、高精度的中红外高性能成像。
(2)本发明采用啁啾极化的非线性晶体，即对传统非线性晶体采用极化反转结构设计成啁啾晶体，其能够使不同角度入射的红外信号均能够有效匹配至不同的反转周期，从而扩展了入射光的接收角，实现大视场的非线性频率上转换。
(3)本发明采用窄带单频的连续泵浦与光学外腔增强结构相结合，实现单纵模窄线宽泵浦光源强度数量级上的提升，有助于提高非线性转换效率，避免激光多模竞争引起的强度抖动，适用于被动成像，实现中红外光谱的高精度相干频移。
附图说明
附图1为本发明一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术的原理图。(a)单周期极化晶体相位匹配结构图；(b)啁啾周期极化晶体相位匹配结构图；(c)多周期极化晶体相位匹配接收角与反转周期曲线图；(d)单周期极化晶体和啁啾晶体相位匹配入射角与非线性转换效率曲线图。
附图2为本发明一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术的理论模拟效果图。 (a)长度L＝50mm的单周期极化晶体视场范围图；(b)长度L＝2.5mm的单周期极化晶体视场范围图；(c)长度l＝2.5mm，具有20个周期的啁啾极化晶体(L＝2.5mm*20＝50 mm)视场范围图
附图3为本发明一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术的实施例图。
其中：泵浦光源100，探测器101，高反平面镜102与103，高速压电陶瓷驱动器104、反馈控制系统105、信号光源106、待测物体样品107，焦距f＝100mm的氟化钙透镜108、中红外高透且1030nm高反的凹面镜109，非线性频率上转换晶体110，771nm光高透的凹面镜111，焦距f＝100mm的聚焦透镜112，滤波片系统113，硅基CCD114，温控炉115。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例对本发明相关特征作进一步详细说明，以便于同行业人员的理解：
在基于啁啾晶体的大视场频率上转换技术部分，采用啁啾极化晶体作为非线性介质实现中红外到可见光波段高效率、高保真的非线性转换。啁啾晶体的制备采用外加电场极化法，使得超晶格正畴与超晶格负畴沿着一个方向交替排列。极化周期的设计由特定的准相位匹配阶数和入射基频光的波长而定，其反转极化周期随晶体内部不同位置而变化，因此可以满足中红外不同波长的光均能根据不同极化周期的设计而实现非线性频率转换。
此外，如图1(a)与(b)所示，与单周期极化晶体相比较，采用啁啾结构的反转周期，设计和优化啁啾极化晶体的内禀反转结构，能够获得更大的空间模式相位匹配接收角，实现大视场非线性光频变换。相比于多周期极化晶体，如附图1(c)所示，其每个反转周期均需要特定的入射角才能实现非线性频率转换，限制了成像的视场范围。且单周期极化晶体长度较短时，才有更大的相位匹配接收角如附图2(a)与(b)所示，此外其转换效率有限，无法实现高效的非线性频率转换。而啁啾晶体由于其内部的极化周期随位置线性或非线性的改变，可以在共线的模式下，同时满足不同角度的入射光均有合适的反转周期满足相位匹配条件，在结构上精简光路，避免了走离效应，增加了非线性作用长度，从而大幅度提高了非线性频率转换的视场角。此外，通过对啁啾极化结构的精确优化，可以使得单块晶体所含的倒格矢分量能够同时补偿宽波段、宽入射角度的相位失配，室温下工作有效防止和频信号能量回流，理论上能够实现在全相位匹配带宽内接近100％的转换效率。所以实现了啁啾晶体内不同角度的入射信号都能够有效匹配不同的反转周期，能够足相位匹配条件，即在保证高转换效率的同时，也扩大了频率上转换成像的视场范围。同时，如附图1(d)所示，相比于单周期极化晶体，啁啾结构极化非线性晶体还能够在整个过程中均保持较高的非线性转换效率，且能够避免频率转换过程中红外光谱幅度信息的畸变。
在基于光学腔增强的高效频率转换技术部分，我们通过非线性相干频移将中红外光子转换到可见光波段，然后利用性能卓越的硅材料探测器探测，从而规避现存红外探测器在该波段噪声较大而灵敏度受限的问题。在非线性频率转换过程中，对泵浦光采用光学腔增强的方法，通过优化腔体结构和镜面镀膜参数实现泵浦光场的阻抗匹配和空间模式控制，结合光学腔智能锁定系统与高速反馈驱动元件，实现谐振腔高精度锁定与长时间稳定运行，故而连续泵浦光得以在腔内光场得到多次往返相干叠加获得腔内功率的显著提升，进一步提高非线性转换效率，提升信噪比，实现高效率、超灵敏的的中红外频率上转换成像探测。
如附图3所示，一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像系统包括作为泵浦光的单频连续激光器、作为信号光的中红外光源、待测物体样品、光学腔四镜蝴蝶结行波腔、采集与反馈控制系统以及包含啁啾晶体在内的频率上转换系统。
光学腔四镜蝴蝶结行波腔的前后放置两个聚焦透镜，将啁啾晶体放置于两个透镜之间焦点重合的位置，构成了4f相干成像系统。之后，功率得到初步放大的窄线宽连续激光进入腔内，根据晶体三维尺寸优化束腰位置光斑大小，同时选定镜面镀膜参数，评估腔内损耗，满足入射泵浦光场阻抗匹配，获得腔增强倍数所需光学腔精细度，最终实现泵浦光功率数量级上显著提升。
啁啾晶体放置于4f系统的傅里叶平面上，相比于单周期或多周期极化的铌酸锂晶体，啁啾晶体能够使得更大入射角度的中红外信号光满足相位匹配条件，从而能够获得更大出射角度的非线性频率上转换所获得的可见光，在4f成像系统中即获得了更大视场范围的成像。如附图2模拟效果图中(a)与(c)所示，可见啁啾晶体相比于单周期极化晶体，能够在相同长度下实现视场范围近10倍左右的扩大。
在频率上转换之后加入滤波片组合构成的滤波器，可以滤除和频获得的信号光之外其他杂散光的噪声干扰；此外，通过Sellmeier色散公式计算中红外与泵浦光不同入射光波长，不同温度下在非线性晶体中的折射率，结合由能量守恒和共线条件下的动量守恒所确定的相位匹配条件，可以设计晶体的反转周期，以及将晶体的工作温度设置在室温条件下，从而降低黑体辐射红外热背景噪声在相位匹配窗口内的占比，进一步降低噪声，并通过在4f 系统的像平面上采用超灵敏硅基探测阵列CCD，即可实现大视场超灵敏的中红外频率上转换成像。
此外，本发明提出的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术不仅可以应用于相干光成像，如光学相干层析成像、激光相干衍射显微成像等等；也可适用于非相干系统获得大视场的成像情况，如热辐射光源成像、非相干光光刻成像等等，避免了相关成像中的相干噪声与散斑噪声等问题，提升大视场超灵敏的中红外频率上转换成像信噪比，为红外辐射热成像提供一种大视场高灵敏度成像手段。
该技术在波长选择上还具有广泛的适用性，对于中红外波段，可选择波长范围为3-5μ m，该波段可参与非线性频率转换的晶体有极化铌酸锂晶体(PPLN)、钽酸锂晶体(PPSLT) 以及磷酸钛氧钾晶体(PPKTP)。此外，可灵活选择中心波长为980nm、1030nm或1064nm等连续激光器作为泵浦光源，和频后的信号光波长范围在739nm至877nm，处于硅基 CCD响应波长范围之内，能够实现高速、灵敏的探测；此外用于准相位匹配的非线性介质还可以选择适用于中远红外波段(3-12μm)的晶体，如基于定向图案技术生长的非线性半导体晶体如磷化镓(OP-GaP)或砷化镓(OP-GaAs)等晶体，有望实现将大视场超灵敏成像进一步拓展到远红外波段。
为更进一步清晰地说明大视场超灵敏的中红外频率上转换成像系统的结构，我们在实施例中不失一般性地选取了中心波长为3070nm的中红外信号，泵浦光中心波长选取为1030nm，如此和频光波长在771nm，处于硅基CCD相机的响应波段，可实现超灵敏成像探测，以下将详细说明其实施方法，如附图3所示。
一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像系统包含有：泵浦光源100、探测器101、 1030nm高反平面镜102与103、高速压电陶瓷驱动器104、反馈控制系统105、信号光源106、待测物体样品107、焦距f＝100mm的氟化钙透镜108、中红外高透且1030nm高反的凹面镜109、非线性频率上转换晶体110、771nm光高透的凹面镜111、焦距f＝100mm 的聚焦透镜112、滤波片系统113、硅基CCD114、温控炉115。
所述泵浦光源100为经过初步放大，平均功率达瓦量级、波长是1030nm的窄线宽单频激光器；
所述探测器101为锁定检测器，用于记录误差信号，并传输至反馈控制系统；
所述平面镜102与103为1030nm高反的平面镜；
所述高速压电陶瓷驱动器104能将电信号转换成机械位移并应用于调节控制系统，具有体积小、位移分辨率极高、响应速度快、低电压驱动、输出力大等特点；
所述反馈控制系统105为高速智能采集与控制系统，通过数字带宽反馈与编程控制，来实现谐振腔长的高精度锁定，以及谐振腔的长时间稳定运行；
所述信号光源106为中心波长为3070nm的中红外脉冲激光；
所述待测物体样品107为1951USAF分辨率测试靶；
所述焦距f＝100mm的透镜108为氟化钙透镜，对中红外光源具有比较高的透过率；
所述中红外高透，1030nm高反的凹面镜109，能够使得中红外光源进入腔内，而1030 nm的光在腔内反射；
所述非线性频率上转换晶体110为极化铌酸锂啁啾晶体；
所述对于771nm波长的光高透的凹面镜111，能够使得通过非线性频率转换得到的771nm波长的光具有较高的透过率，且对1030nm的光具有比较高的反射率；
所述焦距f＝100mm的聚焦透镜112为BK7透镜，对波长为771nm具有比较高的透过率；
所述滤波片系统113对非线性频率上转换的光，即波长为771nm具有比较高的透过率，而对于其他波段的光具有比较高的反射率，能够有效的降低噪声；
所述硅基CCD114为电子倍增CCD(EMCCD)，能够对可见波段的光实现超灵敏探测。
所述温控炉115能够为啁啾晶体提供合适的温度，满足相位匹配条件，实现高效率的非线性频率上转换。
实施例1
本实施例中的具体操作如下：
(1)将1030nm的单频激光100预先经过高功率放大器，进行初步的功率提升，并通过平面镜102入射，进入腔增强结构，结合平面镜103、凹面镜109、凹面镜111，单频 1030nm激光在腔内相干叠加多次，功率得到进一步数量级上的提升。
(2)高速压电陶瓷驱动器104安置在凹面镜103上，结合探测器101与采集控制系统105，实现对谐振腔的精密控制，提高光学腔的锁定精度和稳定度，确保非线性频率转换良好的相干性。
(3)中心波长为3070nm的中红外光源106透过位于4f系统物平面的1951USAF分辨率测试靶107，再通过聚焦透镜108与凹面镜109进入位于傅里叶平面的啁啾晶体110。
(4)波长为1030nm的高功率单频激光与携带掩膜版信息的3070nm的信号光聚焦在啁啾晶体110上，通过温控炉115控制合适温度，满足相位匹配条件，发生非线性频率上转换，产生波长为771nm的和频光。
(5)和频产生的771nm的可见光经过凹面镜111从光学腔输出，经过聚焦透镜112准直输出，在经过滤波器系统113后，滤除泵浦光、信号光、频率转换所带来的倍频光、参量荧光等带来的噪声。之后，通过EMCCD进行成像，可以实现单光子级别的超灵敏探测。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像方法，用于实现中红外波段的超灵敏、大视场范围成像探测，其特征在于，包括如下内容：
(1)非线性频率上转换成像技术，通过非线性相干频移将中红外光子转换到可见光波段，然后利用硅材料探测器探测，从而实现中红外波段的超灵敏成像；
(2)采用啁啾极化晶体作为非线性介质，使得不同角度的入射信号都能够有效匹配不同的反转周期，并获得高效率的频率转换，从而提升频率上转换成像的视场角；
(3)采用窄带单频的连续泵浦与光学外腔增强结构相结合，实现泵浦光强度的增强，从而提高非线性转换效率，提升信噪比，实现中远红外光谱的高分辨、高效率的相干频移，其中，
内容(2)具体方案如下：
设计和优化啁啾极化晶体的内禀反转结构，使得宽角度范围内的入射红外信号能够有效匹配不同的反转周期，拓宽视场范围，实现单次大视场的频率上转换成像，并采用共线的工作方式，精简了光路，增加了非线性作用长度，在整个过程中保持非线性转换效率。
2.根据权利要求1所述的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像方法，其特征在于，所述内容(1)中非线性频率上转换成像技术，能够实现中红外到可见光波段的非线性转换，在室温条件下即可获得中红外成像。
3.根据权利要求1所述的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像方法，其特征在于，所述内容(3)中采用窄带单频的连续泵浦方案，能够覆盖时域上随机入射的红外信号光子，且单纵模窄线宽泵浦光源具备极高的光谱亮度，有助于提高非线性转换效率，避免激光多模竞争引起的强度抖动，适用于被动成像。
4.根据权利要求1所述的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像方法，所述内容(3)中采用光学外腔增强结构，可以实现泵浦强度数量级的提升，光学谐振腔对激光横场模式进行空间滤波，可以使得腔内形成高质量的高斯光束，良好的空间模式匹配能够增加非线性频率变换的量子效率。
5.一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像装置，其特征在于，所述装置包括：作为泵浦光的单频连续激光器、作为信号光的中红外光源、待测物体样品、光学腔、反馈控制系统以及包含啁啾晶体在内的频率上转换系统；
所述光学腔的前后放置两个聚焦透镜，将啁啾晶体放置于两个透镜之间焦点重合的位置，组成成像系统，将功率得到初步放大的窄线宽连续激光入射至腔内，泵浦光在腔内多次往返叠加，平均功率可以得到数量级的提升；
另一路，信号光中红外光源在经过物平面后携带物体信息，通过聚焦透镜进入腔增强结构，之后，泵浦光与信号光入射进入啁啾晶体，满足相位匹配条件，通过非线性频率转换，将中红外转换到可见光波段，之后即可通过硅基CCD进行超灵敏成像探测，其中，
所述光学腔为四镜蝴蝶结行波腔，通过优化束腰位置光斑大小，同时评估腔内损耗，满足入射泵浦光场阻抗匹配，获得腔增强倍数所需光学腔精细度，此外采用全数字光学腔锁定系统实现光学腔自动锁定和智能监控，最终实现完全非线性转换所需的百瓦量级的泵浦光功率；
所述光学腔包括两个高反平面镜，所述频率上转换系统还包括两个凹面镜、两个聚焦透镜、滤波片系统、硅基CCD以及温控炉，光学腔四镜蝴蝶结行波腔的前后放置所述两个聚焦透镜，将啁啾晶体放置于两个聚焦透镜之间焦点重合的位置。
6.根据权利要求5所述的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像装置，其特征在于，所述的成像系统为4f成像系统。
7.根据权利要求5所述的一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像装置，其特征在于，所述的待测物体样品包括但不限于生物细胞、工业材料、掩膜版。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的反馈控制系统采用光学腔智能锁定系统与高速反馈驱动元件，通过数字带宽反馈与可编程滤波技术实现谐振腔高精度锁定与长时间稳定运行，能够抑制光学腔锁定引致的强度抖动与相位噪声，增强红外上转换系统的探测性能。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111150237.4A CN114486788B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 |
| US17/936,070 US20230099476A1 (en) | 2021-09-29 | 2022-09-28 | Mid-infrared upconversion imaging method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111150237.4A CN114486788B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114486788A CN114486788A (zh) | 2022-05-13 |
| CN114486788B true CN114486788B (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=81492160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111150237.4A Active CN114486788B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230099476A1 (zh) |
| CN (1) | CN114486788B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115793348B (zh) * | 2022-12-03 | 2023-07-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种目标增强上转换成像方法与系统 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1614495A (zh) * | 2004-11-26 | 2005-05-11 | 华东师范大学 | 光通信波段单光子高效率探测的方法 |
| WO2018045701A1 (zh) * | 2016-09-07 | 2018-03-15 | 深圳大学 | 一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置 |
| CN110108657A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统 |
| CN111604607A (zh) * | 2020-06-19 | 2020-09-01 | 郝强 | 采用全光学方式的激光划片在线监测装置 |
| US10824049B1 (en) * | 2017-10-06 | 2020-11-03 | Hrl Laboratories, Llc | Optical-frequency up-converting spectrometric imager |
| WO2021068300A1 (zh) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | 深圳大学 | 一种可调谐宽带中红外激光系统 |
| CN113176583A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-27 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种超灵敏红外高分辨三维成像技术 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITFI20040199A1 (it) * | 2004-09-24 | 2004-12-24 | Gabriele Ferrari | Procedimento e dispositivo moltiplicatore di frequenze ottiche per un fattore 1.5 |
| US7339722B2 (en) * | 2006-06-23 | 2008-03-04 | Northrop Grumman Corporation | Hybrid nonlinear optical conversion and optical parametric oscillation |
| WO2011106752A2 (en) * | 2010-02-26 | 2011-09-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Cavity-enhanced optical parametric amplification at full repetition rate |
-
2021
- 2021-09-29 CN CN202111150237.4A patent/CN114486788B/zh active Active
-
2022
- 2022-09-28 US US17/936,070 patent/US20230099476A1/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1614495A (zh) * | 2004-11-26 | 2005-05-11 | 华东师范大学 | 光通信波段单光子高效率探测的方法 |
| WO2018045701A1 (zh) * | 2016-09-07 | 2018-03-15 | 深圳大学 | 一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置 |
| US10824049B1 (en) * | 2017-10-06 | 2020-11-03 | Hrl Laboratories, Llc | Optical-frequency up-converting spectrometric imager |
| CN110108657A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统 |
| WO2021068300A1 (zh) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | 深圳大学 | 一种可调谐宽带中红外激光系统 |
| CN111604607A (zh) * | 2020-06-19 | 2020-09-01 | 郝强 | 采用全光学方式的激光划片在线监测装置 |
| CN113176583A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-27 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种超灵敏红外高分辨三维成像技术 |
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| Experimental observation of transient mode-locking in the build-up stage of a soliton fiber laser;王殷琪 等;《Chinese Optics Letters》;第19卷(第7期);全文 * |
| Mid-Infrared Single-Photon Edge Enhanced Imaging Based on Nonlinear Vortex Filtering;Yinqi Wang 等;《RESEARCH ARTICLE》;第15卷(第10期);全文 * |
| 光学谐振腔增强碘分子调制转移光谱;陈艳萍, 蒋燕义, 毕志毅, 马龙生;中国激光(05);全文 * |
| 全固态激光及非线性光学频率变换技术;姚建铨;世界科技研究与发展(05);全文 * |
| 同步泵浦单光子频率上转换系统的应用研究;汤瑞凯;《中国优秀硕士学位论文数据库 (基础科学辑)》(第10期);全文 * |
| 同步脉冲诱导的高功率中红外差频产生技术(特邀);方迦南 等;《红外与激光工程》;第50卷(第8期);全文 * |
| 啁啾补偿飞秒脉冲高效三次谐波产生;李贤;王燕玲;周绪桂;徐世祥;丁良恩;;激光与光电子学进展(06);全文 * |
| 时频域精密控制的单光子频率上转换探测研究;顾晓蓉;《中国博士学位论文全文数据库 (信息科技辑)》(第11期);全文 * |
| 非相干光光频一体化探测方法初探;王廷予;汪源浩;;数字技术与应用(11);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114486788A (zh) | 2022-05-13 |
| US20230099476A1 (en) | 2023-03-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Barh et al. | Parametric upconversion imaging and its applications | |
| Agafonov et al. | Two-color bright squeezed vacuum | |
| TWI614558B (zh) | 深紫外光連續波雷射及產生深紫外光連續波雷射輻射之方法 | |
| US7023545B2 (en) | Chemical identification by flash spectroscopy | |
| CN100459327C (zh) | 激光装置 | |
| Balakin et al. | Enhancement of sum frequency generation near the photonic band gap edge under the quasiphase matching conditions | |
| JP2000214506A (ja) | 放射光線源及び撮像システム | |
| KR20160093643A (ko) | 테라헤르츠 이미지의 고-대비, 근-실시간 습득을 위한 시스템 및 방법 | |
| CN114486788B (zh) | 一种大视场超灵敏的中红外频率上转换成像技术及装置 | |
| TW201200898A (en) | Imaging systems including low photon count optical receiver | |
| CN115567663A (zh) | 基于非线性空间调制的超灵敏中红外单像素成像方法及装置 | |
| Warner | Parametric up-conversion from the infra-red | |
| US11860335B2 (en) | Laser source apparatus with multiple plate continuum and measurement system therewith | |
| CN115655480A (zh) | 一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统 | |
| CN113176583A (zh) | 一种超灵敏红外高分辨三维成像技术 | |
| CN110954498A (zh) | 一种基于频率转换的太赫兹波高光谱成像系统 | |
| CN115308154A (zh) | 一种基于单光子时频关联的中红外高光谱成像方法 | |
| CN116110998A (zh) | 基于量子点的红外器件及其制备方法 | |
| CN110108657A (zh) | 常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统 | |
| CN115389441A (zh) | 一种高精度中红外光谱探测方法 | |
| CN109065209B (zh) | 一种基于空心光束的双模输出光镊 | |
| Tekavec et al. | High power THz sources for nonlinear imaging | |
| CN113959969B (zh) | 一种高分辨超灵敏的时间拉伸红外高光谱成像技术 | |
| CN115308155A (zh) | 一种中波红外高速高光谱成像方法 | |
| CN111224310A (zh) | 一种单纵模中红外opo激光器的锁频系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220907 Address after: 401123 rooms 1 and 2, floor 1-2, building 1, No.2, Huizhu Road, Yubei District, Chongqing Applicant after: Chongqing Research Institute of East China Normal University Applicant after: EAST CHINA NORMAL University Applicant after: Yunnan Huapu quantum Material Co.,Ltd. Applicant after: SHANGHAI LANGYAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant after: Chongqing Huapu New Energy Co.,Ltd. Applicant after: Chongqing Huapu Information Technology Co.,Ltd. Applicant after: NANJING ROI OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 401123 rooms 1 and 2, floor 1-2, building 1, No.2, Huizhu Road, Yubei District, Chongqing Applicant before: Chongqing Research Institute of East China Normal University Applicant before: EAST CHINA NORMAL University Applicant before: Yunnan Huapu quantum Material Co.,Ltd. Applicant before: SHANGHAI LANGYAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |