CN115655480A - 一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，包括泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及探测模块，泵浦光束模块用于向频率上转换模块提供处于指定偏振态的泵浦光，频率上转换模块包括二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及消色差透镜，二向色镜用于将待测的红外波段信号光以及泵浦光束模块提供的泵浦光合束，使两束光共线传播至PPLN晶体入射面，PPLN晶体设置在温控设备内，温控设备用于提供恒温环境；消色差透镜用于对PLN晶体出射面的和频光色差进行校正，消除畸变；滤波系统用于滤除夹杂在和频光中的噪声；探测模块用于采集经滤波系统滤除过后的和频光。本发明无需低温冷却，具有室温单光子探测的能力。

Description

一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统

技术领域

本发明属于红外测试技术领域，具体为一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统。

背景技术

在过去的几十年里，红外成像和红外光谱学引起了广泛的关注。尤其是中红外(MIR)光谱区域特别令人感兴趣，因为许多气体和化合物在该区域有其基本吸收带。此外，由于大气窗口清晰，发展中红外波段的探测技术可应用于大量应用。在民事领域中，红外探测技术在光通信、激光雷达、激光测距机、光制导、量子信息学、物质检测与分析等诸多实际应用中发挥重要作用。在国防军事领域中，军用红外探测技术的需求表现在作用距离不断增加，目标辐射强度越来越弱。因此，实现远距离红外探测和微弱目标红外辐射目标红外探测，需要超灵敏的红外探测技术。

对这一有吸引力的波长区域进行精确开发的一个障碍是缺乏良好的MIR光源和高灵敏、低噪声MIR探测器。然而，随着超连续谱光源和量子级联激光器(QCL)的出现，取代了传统的电烙铁棒或MIR光学参量振荡器(OPO)，MIR光源的最新进展已经得到了极大地改变。与此形成鲜明对比的是，MIR探测技术仍然远远落后。传统的红外探测系统依赖于探测器直接对目标产生的红外辐射进行探测，红外探测器件是整个系统的核心，其性能决定了整个系统的探测能力。传统的红外探测器件可按照工作原理分为制冷型和非制冷型，两者各有利弊：制冷型红外探测器为了克服器件的读出噪声获得高灵敏度需要在制冷条件下工作，否则灵敏度将受到限制。通过制冷技术抑制读出噪声虽然可以提高灵敏度，但是制冷设备增加了探测器的体积，难以实现系统小型化。此外，将制冷设备和成像系统整合在有限的空间中导致工艺更为复杂。非制冷型红外探测器通过寻找新型材料规避器件的读出噪声，从而降低对探测器工作环境的温度要求，也简化了系统。然而，非制冷型红外探测器牺牲了探测灵敏度，容易受到外界干扰，并且对光电材料要求极高，不利于降低成本。如今中红外探测通常借助于低带隙半导体器件，如锑化铟(InSb)或碲镉汞(HgCdTe)探测器。或者，也可以使用微测辐射热计阵列和热电堆。然而这些探测器即使在低温冷却的条件下也受到大的固有暗噪声的影响。对于探测器噪声超过所有其他噪声源的系统，可以证明傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)是最佳配置。然而，为了获得高光谱分辨率，FTIR需要将镜子在相当长的距离上平稳移动。长扫描范围限制了时间性能，降低仪器的精度并显著增加了系统复杂性和成本。此外，这些探测系统通常都非常昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，以解决传统中红外探测器灵敏度不足、需低温冷却、固有暗噪声较大、时间性能差、体积较大且造价昂贵的问题，从而以更小的占地空间和更优异的时间性能进行超灵敏的中红外探测。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，包括泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及探测模块，所述泵浦光束模块用于向频率上转换模块提供处于指定偏振态的泵浦光，所述频率上转换模块包括二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及消色差透镜，所述二向色镜用于将待测的红外波段信号光以及泵浦光束模块提供的泵浦光合束，使两束光共线传播至PPLN晶体入射面，所述PPLN晶体设置在温控设备内，所述温控设备用于提供恒温环境；所述消色差透镜用于对PLN晶体出射面的和频光色差进行校正，消除畸变；所述滤波系统用于滤除夹杂在和频光中的噪声；所述探测模块用于采集经滤波系统滤除过后的和频光。

优选地，所述泵浦光束模块包括光纤激光器、半波片、偏振分束镜、反射镜和透镜，光纤激光器发射的光源经半波片偏振分束镜、反射镜和透镜入射到二向色镜与待测的红外波段信号光进行合束。

优选地，所述PPLN晶体的周期确定公式为：

其中，Λ为PPLN晶体的周期，n_i为对应不同波长的折射率，i＝1,2,3，λ_i分别为信号光、泵浦光和上转换后的光的波长。

优选地，折射率的计算公式为：

其中，ni为对应不同波长λi的折射率，f＝(T-T₀)(T+T₀+2×273.16)，T₀为参考温度(～24.5℃)，T为PPLN晶体的温度。

优选地，所述PPLN晶体沿光传播方向的长度大于阈值l，阈值l具体为：

l＝l₂₅[a(T-25)+b(T-25)²]

其中，l为温度为T时PPLN晶体的长度，l₂₅为温度为25℃时PPLN晶体的长度，系统中所用的PPLN晶体经验系数的取值为a＝1.54×10^-5，b＝5.3×10^-9。

优选地，所述滤波系统包括FES0900型短通、FEL0800长通和860-10nm(#67854)带通滤光片及1064nm陷波滤波片组合。

优选地，所述探测模块采用光电探测器、光谱仪、CCD相机中一种或多做组合。

优选地，PPLN晶体的信号光/泵浦光入射面镀增透膜。

优选地，PPLN晶体的和频光出射面镀膜。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明上转换过程是二阶非线性效应，因此不涉及晶体中的吸收；根据基尔霍夫定律，透明晶体的发射率为零，因此它不会发射黑体辐射，从而导致有害的暗光学光子噪声；由于有效探测的相位匹配要求，来自晶体周围的不必要辐射也将在空间和频率上被强烈过滤；因此上转换具有室温单光子探测能力；(2)由于周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)具有高非线性(d33～27pm/V)、宽MIR透明度(高达～5微米)、低吸收损耗和高损伤阈值，使用1064nm作为混合激光，该材料可以在整个中红外光谱范围内进行相位匹配，在785-877nm范围内提供上转换信号，适用于硅探测器进行检测。由于转换过程产生的暗噪声可以忽略不计，只要所有外部光源都已充分减少，本发明可用于任何范围的光源功率，只有曝光时间需要与分析的光谱辐射水平相匹配；(3)本发明在转换过程中，由于使用大功率的泵浦激光，即使在中红外波段，也能达到10^-17W Hz^-1/2级别的噪声等效功率(NEP)，远高于低温冷却的碲镉汞(HgCdTe)探测器的性能(～10^-12W Hz^-1/2)，这也意味着本发明的探测灵敏度比目前主流的中红外探测器高了五个数量级。

附图说明

图1是基于频率上转换实验装置原理图。

图2是经光谱仪探测到的和频光子图。

图3是PPLN晶体前探测到的信号光功率。

图4是经过衰减后探测到的上转换光斑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的特征作进一步详细描述，以便于同行业技术人员的理解。

一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，包括泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及探测模块，所述泵浦光束模块用于向频率上转换模块提供处于指定偏振态的泵浦光，所述频率上转换模块包括二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及消色差透镜，所述二向色镜用于将待测的红外波段信号光以及泵浦光束模块提供的泵浦光合束，使两束光共线传播至PPLN晶体入射面，所述PPLN晶体设置在温控设备内，所述温控设备用于提供恒温环境；所述消色差透镜用于对PLN晶体出射面的和频光色差进行校正，消除畸变；所述滤波系统用于滤除夹杂在和频光中的噪声；所述探测模块用于采集经滤波系统滤除过后的和频光。

进一步的实施例中，所述泵浦光束模块包括光纤激光器、半波片、偏振分束镜、反射镜和透镜，光纤激光器发射的光源经半波片偏振分束镜、反射镜和透镜入射到二向色镜与待测的红外波段信号光进行合束。

进一步的实施例中，所述PPLN晶体的周期确定公式为：

其中，Λ为PPLN晶体的周期，n_i为对应不同波长λ_i的折射率，i＝1,2,3。

进一步的实施例中，折射率的计算公式为：

其中，ni为对应不同波长λi的折射率，f＝(T-T₀)(T+T₀+2×273.16)，T₀为参考温度(～24.5℃)，T为PPLN晶体的温度。

进一步的实施例中，所述PPLN晶体沿光传播方向的长度大于阈值l，阈值l具体为：

l＝l₂₅[a(T-25)+b(T-25)²]

其中，l为温度为T时PPLN晶体的长度，l₂₅为温度为25℃时PPLN晶体的长度，系统中所用的PPLN晶体经验系数的取值为a＝1.54×10^-5，b＝5.3×10^-9。

进一步的实施例中，所述滤波系统包括FES0900型短通、FEL0800长通和860-10nm(#67854)带通滤光片及1064nm陷波滤波片组合。

进一步的实施例中，所述探测模块采用光电探测器、光谱仪、CCD相机中一种或多做组合。

实施例

一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统原理如图1所示，包括泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及探测模块，本实施例利用MLQD 4500型连续激光器以及衰减模块模拟待测的待测的红外波段信号光，即光源模块，下面对上述模块逐一进行介绍：

1)光源模块

使用MLQD 4500型连续激光器作为信号光源，以提供上转换所需的中红外波段信号光子。MLQD 4500激光器为量子级联型(QCL)窄带可调谐式照明光源，其可在4604～4616nm范围内进行波长调谐，典型输出功率为40mW。QCL激光器工作时，激光器波长设定为4606.7nm，平均功率为50mW。MLQD 4500型连续激光器、半波片、偏振片、衰减模块、反射镜和CaF₂透镜组成了系统的信号光束模块。其中，半波片和偏振片的作用是为了保证信号光能够处于指定的偏振态。衰减模块则由多个衰减片组合而成，信号光使用的各个衰减片(中红外带通片代替)透过率为：

FB4250-500：标称0.07％T@4600nm实际28％

FB4750-500：标称81％T@4600nm实际81％

FB6000-500：标称0.108％T@4600nm实际0.15％

2)泵浦光束模块

根据对泵浦光偏振态的要求，本系统使用YFL-SF-1064型连续掺镱光纤激光器作为泵浦光源。因此泵浦光束模块由该光纤激光器、半波片、偏振分束镜、反射镜和透镜组成。该模块的主要作用是为频率上转换过程提供泵浦光束并保证泵浦光束处于指定偏振态。YFL-SF-1064型激光器采用保偏光纤输出，最大输出功率为10.73W(～9A)。激光器工作时，可通过前面板上的触摸屏或者PC端的软件来调整激光器内部的控制电流改变激光输出功率。在系统工作前需要将YFL-SF-1064型激光器在开机并通过前面板旋钮设定输出功率后预热约10分钟，待其输出功率稳定后系统方可工作。之后则无需对该激光器进行额外操作。YFL-SF-1064型激光器输出的激光束为连续光，作为泵浦光源时无需考虑信号光与泵浦光在时域上的同步，可忽略走离效应，只需保证泵浦光束的功率大于信号光脉冲的峰值功率且不损伤PPLN晶体。YFL-SF-1064型激光器产生的泵浦光由末端连接SMA905接口的保偏光纤输出到自由空间。为了使泵浦光在自由空间内保持准直传播，一个带SMA905接口的光纤准直镜连接在YFL-SF-1064型激光器的光纤输出端口上。最后，在自由空间中准直传播的泵浦光束在经过半波片HWP调整偏振态后经透镜入射频率上转换模块。

3)上转换模块

频率上转换模块由二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及消色差透镜组成，该模块的主要作用是利用二向色镜实现透过目标的4606.7nm脉冲和1064nm泵浦光的合束，使两束光共线传播。二向色镜在4606.7nm的反射率为98.92％，在1064nm的透过率为98.15％。随后通过消色差透镜将混合光束聚焦到PPLN晶体中心发生频率上转换得到864nm和频光。考虑到信号光和泵浦光波长不同，透镜应使用消色差透镜使两束光的焦平面尽可能重叠。在系统工作期间，需通过温控设备保证PPLN晶体的温度维持恒定。

频率上转换模块的核心器件是PPLN晶体，PPLN晶体的设计直接决定了频率上转换的结果。本系统中4606.7nm的信号光与1064nm的泵浦光在PPLN中均以非寻常光(e)的形式传播，即两束光的线偏振方向均为垂直偏振。PPLN晶体的周期可根据式准相位匹配(QPM)、PPLN晶体的折射率与温度的函数关系以及PPLN晶体受热膨胀时晶体长度与温度的函数关系计算出。PPLN晶体的折射率与温度的函数关系如式(1)和式(2)所示：

PPLN晶体的周期确定公式为：

其中，Λ为PPLN晶体的周期，n_i为对应不同波长λ_i的折射率，i＝1,2,3。

式(1)中各系数如表1所示。所述PPLN晶体沿光传播方向的长度大于阈值l，阈值l具体为：

l＝l₂₅[a(T-25)+b(T-25)²] (3)

其中，l为温度为T时PPLN晶体的长度，l₂₅为温度为25℃时PPLN晶体的长度。当入射PPLN晶体的光功率过大时，将对晶体造成不可逆转的损害，该现象被称为光折变效应。为了增加PPLN晶体的光损伤阈值，本系统掺杂5％氧化镁的PPLN晶体，该晶体的光损伤阈值可达到500mW/cm²，有效非线性系数为d_eff＝14pm/V。

表1热膨胀方程参数

考虑到晶体成本以及加工工艺，最终PPLN晶体的极化周期设计为21.5-23μm，在此条件下工作温度约为109.4℃。系统中使用的PPLN晶体参数如表2所示。

为了减少信号光和泵浦光在传播过程中的能量损失，PPLN晶体的信号光/泵浦光入射面镀增透膜，保证信号光和泵浦光入射晶体的反射率低于0.2％。和频光出射面镀864nm膜，使864nm出射晶体的反射率低于0.2％。

PPLN晶体安装在温控炉中。温控炉可将其中的PPLN晶体由室温加热到200℃，处于恒温状态时，温控炉中的温度浮动不超过0.1℃。由于实验过程中PPLN温度需要保持恒定，因此需在频率上转换系统工作前开启温控设备并等待温控炉面板所示的温度处于稳定状态。

表2 PPLN晶体参数

4)滤波系统

根据和频光的光谱特性，滤波系统选用FES0900型短通、FEL0800长通和860-10nm(#67854)带通滤光片及1064nm陷波滤波片，该滤光片组合在864nm处的综合透过率为44％。和频光经滤光系统去噪后会聚到探测模块。

5)探测模块

探测模块包括光电探测器、光谱仪、CCD相机中的一种或多种

为了提升信噪比，本系统采用H7422-20型光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)作为单像素探测器。

根据用于会聚和频光的透镜焦距和H7422-20的靶面直径为7mm可计算出探测器的视场角为7.97°。PMT在864nm的响应灵敏度为30mA/W，滤光系统在864nm处的透过率为49％，光电倍增管的增益电压设置为0.75V，此时对应的增益为10⁵。最后，系统使用PXIE-5122型采集卡将PMT输出的电压由模拟信号转化为数字信号，并发送给计算机交由系统的控制软件Labview记录。

如图2所示，是光谱仪(HR4000)对和频光子进行探测计数。探测到的和频光子如图所示，在864nm附近有强烈的谱峰，此时，红外信号光子已成功从4606.7nm转换至理论预期的864nm附近，光谱仪测得约12000的光子数。红外上转换探测方法的装置由第零类准相位匹配来实现。其实质上是一个和频过程，将红外信号上转换到近红外或可见光。能量守恒条件严格规定了IR输入和上转换信号之间的波长关系。然而，为了获得高效的频率转换，还需要满足相位匹配条件(动量守恒)。为了表示输入信号(IR)、混合激光场(La)和上转换信号(NIR)，能量守恒和动量守恒条件可以写为:

Δk＝k_ΙR+k_pump-k_up (5)

波长为λ_i，其中指数IR、NIR、La表示三个相互作用的场，k_i表示相应的波矢。代入的4606.7nm的信号光和1064nm的泵浦光，可以计算出和频光约为864nm。从测量结果不难看出，实验结果和理论计算十分吻合。

如图3、图4所示，是使用功率计对衰减过的信号光测量结果及用CCD对转换后的信号光进行探测，此时用衰减器逐渐降低令功率密度降至10^-8W/cm²。使用S120C功率计对和频后的光子密度进行测量，在超灵敏探测的情况下，功率约为165μW，由于PPLN晶体前的信号光功率为10.65mW，可得晶体的转换效率为1.55％，考虑到滤波系统的49％的探测效率，所以系统相应的转换效率为3.4％。探测到的光斑表明系统可以在低于在10^-8W/cm²的超低红外辐射条件下进行上转换探测，从而实现常温条件下的超灵敏中红外转换探测。

本实施例的具体操作步骤为：

步骤1：使用中红外CCD相机对经过半波片、偏振片和反射镜的中红外信号光源进行位置标定，以确保其在经过透镜和二向色镜后能顺利耦合进PPLN晶体的束腰中心，进行高效的转换探测；

步骤2：对于经过半波片和偏振分束镜PBS的泵浦光，使用近红外CCD对其进行位置标定。这里，由于所使用的信号光和泵浦光波长相差较大，存在走离效应，因此采用分别聚焦的方式，而后通过二向色镜耦合进PPLN内进行二阶相互作用；

步骤3：转换后的和频光子经过透镜由硅基CCD进行有效探测，同时由于泵浦光较强，会有剩余的泵浦光残留，以及参量下转换过程(SPDC)产生的荧光对上转换过程有影响，因此采用由1064nm陷波滤波片、800nm长通滤波片、1000nm短通滤波片及860nm带通滤波片组成的滤波系统，用以对剩余的泵浦光及其他波段的干扰光进行滤除；

步骤4：用多个衰减片组成的衰减模块对中红外信号光子衰减至少光子水平。参考单光子探测器的灵敏度和噪声等效功率，对两者进行比较。

信号光使用的衰减片(中红外带通片代替)透过率：

FB4250-500：标称0.07％T@4600nm实际28％

FB4750-500：标称81％T@4600nm实际81％

FB6000-500：标称0.108％T@4600nm实际0.15％

上述三个带通片的组合透过率是3.6×10^-4。计算得本系统对中红外的灵敏度至少为2.047×10^-6W，此时相机得到的和频强度为2.047×10^-6×η＝9.62×10^-12W，约10⁷个光子。若换用PMT等单光子探测器，设暗计数为100，以信噪比等于1计算可得仍可衰减10⁵倍。若转换效率和泵浦功率是线性关系，则换用10W级泵浦光和单光子探测器可使灵敏度提高到0.1÷10×2.047×10^-6×10^-5＝10^-13W，以1mm光斑大小计算，即理想情况下系统可探测到的辐射照度为10^-11W/cm²。此处暂未考虑探测器的响应度。结合噪声等效功率hv(2RBC)^1/2/η的表达式，其中hv，RBC分别为中红外信号光子的能量和背景噪声。经过计算，NEP约为3×10^-17WHz^-1/2，远远低于碲镉汞(HgCdTe)探测器的NEP。

Claims (9)

1.一种基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，包括泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及探测模块，所述泵浦光束模块用于向频率上转换模块提供处于指定偏振态的泵浦光，所述频率上转换模块包括二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及消色差透镜，所述二向色镜用于将待测的红外波段信号光以及泵浦光束模块提供的泵浦光合束，使两束光共线传播至PPLN晶体入射面，所述PPLN晶体设置在温控设备内，所述温控设备用于提供恒温环境；所述消色差透镜用于对PLN晶体出射面的和频光色差进行校正，消除畸变；所述滤波系统用于滤除夹杂在和频光中的噪声；所述探测模块用于采集经滤波系统滤除过后的和频光。

2.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，所述泵浦光束模块包括光纤激光器、半波片、偏振分束镜、反射镜和透镜，光纤激光器发射的光源经半波片偏振分束镜、反射镜和透镜入射到二向色镜与待测的红外波段信号光进行合束。

3.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，所述PPLN晶体的周期确定公式为：

其中，Λ为PPLN晶体的周期，n_i为对应不同波长的折射率，i＝1,2,3，λ_i分别为待测光、泵浦光和上转换后的光的波长。

4.根据权利要求3所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，折射率的计算公式为：

其中，ni为对应不同波长λi的折射率，f＝(T-T₀)(T+T₀+2×273.16)，T₀为参考温度，T为PPLN晶体的温度；

5.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，所述PPLN晶体沿光传播方向的长度大于阈值l，阈值l具体为：

l＝l₂₅[a(T-25)+b(T-25)²]

其中，l为温度为T时PPLN晶体的长度，l₂₅为温度为25℃时PPLN晶体的长度，系统中所用的PPLN晶体经验系数的取值为a＝1.54×10^-5，b＝5.3×10^-9。

6.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，所述滤波系统包括FES0900型短通、FEL0800长通和860-10nm(#67854)带通滤光片及1064nm陷波滤波片组合。

7.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，所述探测模块采用光电探测器、光谱仪、CCD相机中一种或多做组合。

8.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，PPLN晶体的信号光/泵浦光入射面镀增透膜。

9.根据权利要求1所述的基于频率上转换的超灵敏中红外探测系统，其特征在于，PPLN晶体的和频光出射面镀膜。

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