CN115144072A - 一种中红外光探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中红外光探测系统，包括激光器以及红外窗口、合束镜、探测晶块、滤波片和光电二极管；激光器发射探测光；红外窗口、探测晶块、滤波片、光电二极管的通光面均相互平行且各通光面垂直于待测中红外光；合束镜设置在红外窗口后，并且其通光端面与待测中红外光输入光束成角度θ，使得激光器发射的探测光照射在合束镜后沿着待测中红外光方向反射输入至探测晶块；探测晶块对进入其内的待测中红外光、探测光进行非线性作用产生近红外上转换光，经滤波片后由光电二极管采集上转换光。本发明的装置系统能实现对中红外光的探测，系统响应更快、灵敏度更高，适用于中红外光探测及后续的波谱分析等需求。
Description
技术领域
本发明涉及中红外光技术领域，具体地说是一种中红外光探测系统。
背景技术
中红外波段通常是指波长在2.5到25μm(波数4000-400cm-1)电磁波谱范围。中红外波段包含了3-5μm和8-12μm两个重要的大气窗口，而且许多气体分子、毒剂、空气、水、土壤污染物、爆炸物等在这一波段都具有特征光谱，这些特性使得中红外光在光谱学、通讯、环保、化学、生物、医药等诸多领域具有非常重要的应用价值。
上述应用系统的性能很大程度上取决于中红外光的探测水平，因此高灵敏度的中红外光探测是上述系统的关键核心部分。目前常见的中红外光探测方法，根据其探测角度可以分为两类：一类是基于热释电等效应的热探测，另一类是基于碲镉汞等半导体的光子探测。这两类探测方法通常在室温下的灵敏度和响应速率有限。随着激光和非线性光学频率变换技术成熟，通过非线性作用将中红外光转换为近红外光，可以实现中红外光的间接探测。这类基于非线性作用的中红外光探测分析系统，可实现室温下的快响应、高灵敏度相干探测，而且结构简单，是中红外光探测技术的研究热点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种中红外光探测系统，利用待测中红外光与探测光通过非线性作用产生近红外上转换光，由光电二极管采集上转换光信号，通过上转换光间接表征中红外光。本发明可应用于波谱分析和成像领域，实现中红外光信息的快速探测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种中红外光探测系统，包括激光器以及在待测中红外光输入光束方向依次设置的红外窗口、合束镜、探测晶块、滤波片和光电二极管；
所述激光器发射探测所需的探测光；所述红外窗口、探测晶块、滤波片、光电二极管的通光面均相互平行，且各通光面垂直于待测中红外光输入光束；所述合束镜设置在红外窗口后，并且其通光端面与待测中红外光输入光束成角度θ，使得激光器发射的探测光照射在合束镜后沿着待测中红外光输入光束方向反射；
所述红外窗口为待测中红外光的入射窗；所述合束镜将透射的待测中红外光和反射的探测光合束后输入至探测晶块；所述探测晶块的中心放置在红外窗口的焦点，并对进入其内的待测中红外光、探测光进行非线性光学频率变化作用产生近红外上转换光后输出；所述滤波片滤除剩余探测光，输出上转换光；所述光电二极管采集表征待测中红外光的上转换光信号。
所述激光器为掺钕钇铝石榴石激光器。
所述激光器产生1.064μm波长的近红外探测光。
所述红外窗口为凸透镜、表面镀膜，镜片材质为Si或Ge，透过中红外光。
所述合束镜将待测中红外光与探测光合为一束，为包括2个通光面的平面结构，所述合束镜为平面镜、表面镀膜，镜片材质为Si或Ge，A、B两个通光面表面均镀有中红外增透膜、通光面B表面镀有近红外高反膜。
所述合束镜端面与待测中红外光输入光束成角度θ为45°。
所述探测晶块材质为非线性光学晶体，将探测光与待测中红外光通过非线性作用产生近红外上转换光。
所述探测晶块材质为非氧化物硒镓钡晶体。
所述滤波片截止剩余探测光，输出上转换光，所述滤波片材质为玻璃，表面镀有1.064μm高反膜。
所述光电二极管为铟镓砷光电二极管。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明利用待测中红外光与探测光通过非线性作用产生近红外上转换光，由光电二极管采集上转换光信号，利用上转换光间接表征中红外光，本发明可应用于波谱分析和成像领域，实现中红外光信息的快速探测。该探测系统结构简单、紧凑，成本低，效率高，适合在实用系统中普及。
2.本发明所采用的上转换探测增益介质为非氧化物硒镓钡(BaGa4Se7)晶体，该晶体具有较大的透明波段、较大的二阶非线性系数和较高的损伤阈值，同时晶体的介电属性保证了中红外光与探测光的相位匹配，有利于在较宽的红外波段(波长3-17μm)实现高效的频率变换从而产生近红外上转换光。
3.本发明所采用的中红外光间接探测方法，利用高性能的光学仪器对近红外波段的波谱和光束分析，实现中红外光的间接探测，可以为之后的灵敏度、响应速率、频谱和空间分辨率等方面实现全面的性能提升奠定基础。
附图说明
图1是本发明提供的中红外光探测方法结构示意图；
其中，1为激光器，2为红外窗口，3为合束镜，4为探测晶块，5为滤波片，6为光电二极管。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种中红外光探测系统，包括激光器1以及在待测中红外光输入光束方向依次设置的红外窗口2，合束镜3，探测晶块4，滤波片5和光电二极管6。激光器1发射探测所需的探测光；所述红外窗口2、探测晶块4、滤波片5、光电二极管6的通光面均相互平行，且各通光面垂直于待测中红外光输入光束；所述合束镜3设置在红外窗口2后，并且其通光端面与待测中红外光输入光束成角度θ(图1中选取45°角)，使得激光器1发射的探测光照射在合束镜3后沿着待测中红外光输入光束方向反射；所述红外窗口2为待测中红外光的入射窗，为凸透镜结构；所述合束镜3将透射的待测中红外光和反射的探测光合束后输入至探测晶块4；所述探测晶块4中心放置在红外窗口2的焦点处，并对进入其内的待测中红外光、探测光进行非线性光学频率变换作用，产生近红外上转换光后输出；所述滤波片5滤除剩余探测光，输出上转换光；所述光电二极管6采集表征待测中红外光的上转换光信号。
实际应用时，激光器1为商用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，输出光作为探测光，其波长为1.064μm。红外窗口2为凸透镜结构，镜片材质为Si或Ge，表面镀中红外增透膜，用于透过待测中红外光。中红外光和激光器1输出的探测光经合束镜3合束后，进入探测晶块4，通过二阶非线性光学频率变换作用，产生近红外波段的相干上转换光。合束镜3为平面结构、表面镀膜，镜片材质为Si或Ge，A、B两个通光面表面均镀有中红外增透膜、通光面B表面镀有近红外高反膜。探测晶块4为新型非氧化物非线性晶体块，材料为硒镓钡(BaGa4Se7)，通光面大小为10×7mm2，长度为15mm，该晶体块具有较大的二阶非线性系数和较高的损伤阈值，同时晶体的介电属性保证了中红外光与探测光的相位匹配，有利于实现高效的频率变换从而产生近红外上转换光。滤波片5为玻璃镜片，表面镀1.064μm波长的近红外光高反膜(对波长为1.064μm的近红外光高反)，用于将剩余的探测光滤去，实现纯净的上转换光输出。上转换光透过滤波片5进入光电二极管6中，光电二极管6为近红外波段的高灵敏、快响应探测器(如铟镓砷(InGaAs)光电二极管)，通过对近红外上转换光的探测间接实现对中红外光的表征。
上述利用非线性作用间接实现相干中红外光的探测，具有高转换效率和高探测灵敏度，可用于中红外波谱分析和成像等应用研究。该探测结构简单、紧凑，成本低，效率高，适合在实用系统中普及。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种中红外光探测系统，其特征在于，包括激光器(1)以及在待测中红外光输入光束方向依次设置的红外窗口(2)、合束镜(3)、探测晶块(4)、滤波片(5)和光电二极管(6)；所述激光器(1)发射探测所需的探测光；所述红外窗口(2)、探测晶块(4)、滤波片(5)、光电二极管(6)的通光面均相互平行，且各通光面垂直于待测中红外光输入光束；所述合束镜(3)设置在红外窗口(2)后，并且其通光端面与待测中红外光输入光束成角度θ，使得激光器(1)发射的探测光照射在合束镜(3)后沿着待测中红外光输入光束方向反射；所述红外窗口(2)为待测中红外光的入射窗；所述合束镜(3)将透射的待测中红外光和反射的探测光合束后输入至探测晶块(4)；所述探测晶块(4)的中心放置在红外窗口(2)的焦点，并对进入其内的待测中红外光、探测光进行非线性光学频率变化作用产生近红外上转换光后输出；所述滤波片(5)滤除剩余探测光，输出上转换光；所述光电二极管(6)采集表征待测中红外光的上转换光信号。
2.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述激光器(1)为掺钕钇铝石榴石激光器。
3.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述激光器(1)产生1.064μm波长的近红外探测光。
4.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述红外窗口(2)为凸透镜、表面镀膜，镜片材质为Si或Ge，透过中红外光。
5.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述合束镜(3)将待测中红外光与探测光合为一束，为包括2个通光面的平面结构，所述合束镜(3)为平面镜、表面镀膜，镜片材质为Si或Ge，A、B两个通光面表面均镀有中红外增透膜、通光面B表面镀有近红外高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述合束镜(3)端面与待测中红外光输入光束成角度θ为45°。
7.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述探测晶块(4)材质为非线性光学晶体，将探测光与待测中红外光通过非线性作用产生近红外上转换光。
8.根据权利要求6所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述探测晶块(4)材质为非氧化物硒镓钡晶体。
9.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述滤波片(5)截止剩余探测光，输出上转换光，所述滤波片(5)材质为玻璃，表面镀有1.064μm高反膜。
10.根据权利要求1所述的一种中红外光探测系统，其特征在于，所述光电二极管(6)为铟镓砷光电二极管。
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