非相干光光頻一體化探測(cè)方法初探

王廷予 汪源浩

摘要：紅外和紫外圖像信號(hào)在制導(dǎo)、告警、跟蹤瞄準(zhǔn)、遙感、夜視以及天文觀測(cè)等領(lǐng)域具有非常重要的作用。因此，紅外圖像的高精度探測(cè)尤為重要。但常用的紅外探測(cè)器存在系統(tǒng)復(fù)雜、分辨率不高、靈敏度低且組件昂貴等一系列問題，而高靈敏度紫外探測(cè)器還只能利用光電倍增管轉(zhuǎn)換成可見光，容易出現(xiàn)雪崩現(xiàn)象。本文創(chuàng)新性地提出了將非相干輻射通過激光泵浦轉(zhuǎn)換成易于探測(cè)的可見光的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將目標(biāo)的紅外圖像通過頻率上轉(zhuǎn)換至可見光圖像，將紫外圖像下轉(zhuǎn)換到可見光圖像，利用精度高、靈敏度高且價(jià)格低廉的可見波段探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)紫外、可見光和紅外的三波段一體化探測(cè)，提出了實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換的方法和技術(shù)途徑以及未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：頻率上/下轉(zhuǎn)換;準(zhǔn)相位匹配;光頻一體化;周期性極化晶體

中圖分類號(hào)：TN241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）11-0050-02

0 引言

光電探測(cè)是信息獲取的重要手段。一般來說，探測(cè)設(shè)備要準(zhǔn)確提供目標(biāo)狀態(tài)、圖像、運(yùn)動(dòng)等細(xì)微特征，一些警戒和制導(dǎo)系統(tǒng)還要對(duì)目標(biāo)屬性進(jìn)行判斷，提供目標(biāo)位置和距離等信息，識(shí)別目標(biāo)并顯示威脅等級(jí)。探測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)是探測(cè)距離，這就需要有較高的探測(cè)靈敏度。對(duì)警戒系統(tǒng)來說，靈敏度、探測(cè)概率和虛警率存在相互制約的關(guān)系。綜合各種探測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，一般分為紅外探測(cè)、紫外探測(cè)以及可見光探測(cè)。隨著半導(dǎo)體器件水平的提高，提高告警靈敏度的方法層出不窮。傳統(tǒng)的集成式多波段探測(cè)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別有很大好處，但是也帶來系統(tǒng)復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。2012年丹麥技術(shù)大學(xué)首次利用可見光CCD觀測(cè)紅外光譜，實(shí)現(xiàn)了將非相干中紅外光在室溫下轉(zhuǎn)換成了可見光波段的圖像。2018年，瑞典隆德大學(xué)的李中山教授利用該技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒發(fā)出的2.9-5微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一系列特征的譜段，例如水蒸汽的2.9微米輻射和二氧化碳4.3微米輻射等發(fā)射譜能夠轉(zhuǎn)換成可見光后被觀測(cè)，并通過改變工作溫度及極化周期來調(diào)整不同的光譜。例如在某種飛機(jī)載告警設(shè)備中，根據(jù)目標(biāo)不同探測(cè)波段，可將告警系統(tǒng)分為紫外告警系統(tǒng)和紅外告警系統(tǒng)。由于目前已知大氣臭氧層可吸收絕大部分0.25～0.28微米波段的光，所以日盲區(qū)紫外告警也主要針對(duì)此波段的目標(biāo)，來減少不必要的虛警。此外，紫外告警系統(tǒng)所采用的增強(qiáng)型電荷耦合器件（ICCD，Intensified Charge Coupled Device）也具有操作靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，但其分辨率只有256x256，明顯低于精確探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，且易產(chǎn)生虛警問題。而紅外告警系統(tǒng)則采用焦平面陣列器件，對(duì)目標(biāo)3～5微米的波段進(jìn)行探測(cè)，分辨率較高，最高可達(dá)1280x1024個(gè)像素，但其造價(jià)成本過高，且其探測(cè)靈敏度一般，對(duì)地物的虛警也比較高。為提高系統(tǒng)性能，采用紅外、紫外和可見光多波段比色探測(cè)（表1），可較好解決這些矛盾。

為此，本文提出光頻一體化的解決辦法，旨在最終能夠?qū)崿F(xiàn)單光子水平的探測(cè)和多波段比色判別。為了實(shí)現(xiàn)可見光探測(cè)器探測(cè)紅外輻射，在進(jìn)入可見光探測(cè)器之前對(duì)入射的紅外輻射信號(hào)進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換。高清紅外焦平面陣列價(jià)格昂貴，是同等量級(jí)可見光CCD的百倍以上，并且SWaP（體積、重量和功耗）性能差。通過非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高清紅外探測(cè)的同時(shí)，還可以圖像處理方法實(shí)現(xiàn)雙波段復(fù)合探測(cè)，在制導(dǎo)抗干擾、跟蹤瞄準(zhǔn)和目標(biāo)識(shí)別方面有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

準(zhǔn)相位匹配（Quasi-Phase Matching，QPM）就是通過晶體非線性極化率的周期性調(diào)制，補(bǔ)償由于折射率色散造成不同光的相位失配，從而獲得非線性光學(xué)頻率變換效率的增強(qiáng)的技術(shù)。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)可以利用改變非線性介質(zhì)溫度、入射光角度、泵浦光波長(zhǎng)調(diào)整輸出波長(zhǎng)，可以優(yōu)化與探測(cè)器光譜響應(yīng)度的匹配性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高靈敏度探測(cè)。選擇較大非線性系數(shù)材料，可以實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率，大尺寸工藝逐漸成熟，可用較長(zhǎng)晶體來提高轉(zhuǎn)換效率。利用不受波矢和偏振方向限制的優(yōu)點(diǎn)，三波的偏振方向可以任意選擇，降低了入射角的要求，可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)探測(cè)。選擇透光范圍寬的材料，理論上可實(shí)現(xiàn)寬波長(zhǎng)一體化探測(cè)應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭貙挿蔷€性晶體的應(yīng)用范圍，提高非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，使光頻一體化探測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。非相干光轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)主要基于三種周期性極化晶體來實(shí)現(xiàn)頻率變換，其原理如圖1所示。通過文獻(xiàn)資料總結(jié)的晶體材料性能特點(diǎn)如表2所示。本文以PPLN為例，利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率上下轉(zhuǎn)換，使非可見光的寬波段非相干輻射轉(zhuǎn)換為可見光輸出成為可能。

圖2是本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。具體實(shí)驗(yàn)條件如下：1064nm納秒脈沖激光泵浦、激光平均功率最大20W、無諧振腔;轉(zhuǎn)換條件：兩束入射光在晶體內(nèi)保持重合;滿足相位匹配條件：ω2為特定波長(zhǎng)（10nm）、特定角度入射（3mrad）;轉(zhuǎn)換效率η=20%;與傳統(tǒng)紅外和紫外探測(cè)相比，本實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、無需制冷、價(jià)格較低;缺點(diǎn)是需要功率較大的泵浦光（102W）、探測(cè)帶寬小（10nm，與泵浦光帶寬有關(guān)）。

通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，十米內(nèi)對(duì)蠟燭進(jìn)行上轉(zhuǎn)換成像需要的泵浦光功率≈4W;晶體上轉(zhuǎn)換帶寬比較窄：<10nm，適合激光、發(fā)射譜等窄譜段探測(cè)，不適于寬譜段、遠(yuǎn)距離探測(cè);采用啁啾極化或?qū)捵V泵浦的方式有望加寬上轉(zhuǎn)換帶寬，但同時(shí)會(huì)犧牲轉(zhuǎn)換效率;采用的周期極化的晶體厚度較小（≤1mm），探測(cè)視場(chǎng)受限，下一步可考慮采用非極化晶體或多片極化晶體疊加的方式來擴(kuò)大視場(chǎng)。

2 結(jié)論及展望

本文以PPLN為晶體材料，利用精度高、靈敏度高且價(jià)格低廉的可見波段探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，通過準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率上下轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了紫外、可見光和紅外的三波段一體化探測(cè)。但依據(jù)頻率變換的光頻一體化探測(cè)技術(shù)仍有許多問題需進(jìn)一步解決，主要有以下幾個(gè)問題：（1）需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)換效率;（2）雖然完成了頻率上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，但日盲區(qū)紫外轉(zhuǎn)為可見光的頻率下轉(zhuǎn)換還沒有實(shí)現(xiàn)，而它的實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建完整的多光譜探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別具有重要意義;（3）目前僅僅研究了多光子頻率上轉(zhuǎn)換，單光子的頻率上轉(zhuǎn)換還沒有被實(shí)現(xiàn)。單光子檢測(cè)技術(shù)才是實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)的核心，也是實(shí)現(xiàn)在光學(xué)雷達(dá)、制導(dǎo)等探測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚建銓，徐德剛.全固態(tài)激光及非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 周志遠(yuǎn).軌道角動(dòng)量光的頻率變換及在量子信息中的應(yīng)用[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[3] 施帥，丁冬生，周志遠(yuǎn)，等.軌道角動(dòng)量光的區(qū)分[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（06）：69-72.

[4] 航天工業(yè)總公司.紅外與光電系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京：航天工業(yè)出版社，2000.

[5] 馬博琴，王霆著.非線性光子晶體的研究[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

[6] 何力，楊定江，倪國(guó)強(qiáng)，等.先進(jìn)焦平面技術(shù)導(dǎo)論[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2011.