中紅外量子頻譜遷移研究進展及應用

摘 要： 傳統的中紅外探測主要基于碲鎘汞等窄帶隙材料探測器，但此類探測器的高靈敏度探測需要依靠深制冷設備，且相較于成熟的硅基探測器性能差距較大。中紅外量子頻譜遷移可以將中紅外信號上轉換至硅基探測器的工作波段，以使用高性能硅探測器進行高效探測；該技術還可以將信號光子下轉換至中紅外波段，并在轉換過程中完整保留光子信息，在中紅外量子光場產生與調控領域發揮重要意義。文章系統介紹中紅外量子頻譜遷移的基本原理、主要參數和最新研究進展，并對其應用前景和研究方向進行展望。

關鍵詞： 中紅外探測; 非線性頻率變換; 量子效率; 中紅外量子糾纏

中圖分類號： TB9; O431.2 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0020–10

0 引 言

中紅外波段（mid-infrared， MIR） 是指波長為2.5～25 μm 范圍內的光譜區域，包含著可見光、近紅外波段無法反映的客觀信息。中紅外光子能量對應著大部分分子的振轉躍遷能級[1]。大量分子在中紅外光譜區域具有振動和旋轉共振，可以在其中紅外吸收或透射譜中觀測到反映物質結構本質的“指紋譜”。中紅外波段不僅覆蓋CH4、CO、CO2、NOX 和SOX 等絕大多數環境氣體分子的吸收譜，同時還包括多個低損耗的大氣透明窗口[2]，如圖1 所示。此外，室溫物體的熱輻射場也位于中紅外波段，為夜視、熱成像等技術提供明確發展方向。綜上原因，中紅外光場產生與探測技術在光譜分析[3]、氣體檢測[4]、大氣通信[5]、遙感監測[6]、食品工業[7]、生物醫學[8] 等科研、軍用、民用領域都扮演著重要角色。