非相干光光頻一體化探測方法初探

王廷予 汪源浩

摘要：紅外和紫外圖像信號在制導、告警、跟蹤瞄準、遙感、夜視以及天文觀測等領域具有非常重要的作用。因此，紅外圖像的高精度探測尤為重要。但常用的紅外探測器存在系統復雜、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器還只能利用光電倍增管轉換成可見光，容易出現雪崩現象。本文創新性地提出了將非相干輻射通過激光泵浦轉換成易于探測的可見光的方法，并通過實驗驗證，將目標的紅外圖像通過頻率上轉換至可見光圖像，將紫外圖像下轉換到可見光圖像，利用精度高、靈敏度高且價格低廉的可見波段探測設備進行探測，實現紫外、可見光和紅外的三波段一體化探測，提出了實現上轉換的方法和技術途徑以及未來研究的方向。

關鍵詞：頻率上/下轉換;準相位匹配;光頻一體化;周期性極化晶體

中圖分類號：TN241 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0050-02

0 引言

光電探測是信息獲取的重要手段。一般來說，探測設備要準確提供目標狀態、圖像、運動等細微特征，一些警戒和制導系統還要對目標屬性進行判斷，提供目標位置和距離等信息，識別目標并顯示威脅等級。探測系統的重要指標是探測距離，這就需要有較高的探測靈敏度。對警戒系統來說，靈敏度、探測概率和虛警率存在相互制約的關系。綜合各種探測設備的特點，一般分為紅外探測、紫外探測以及可見光探測。隨著半導體器件水平的提高，提高告警靈敏度的方法層出不窮。傳統的集成式多波段探測對目標的識別有很大好處，但是也帶來系統復雜和成本高的缺點。2012年丹麥技術大學首次利用可見光CCD觀測紅外光譜，實現了將非相干中紅外光在室溫下轉換成了可見光波段的圖像。2018年，瑞典隆德大學的李中山教授利用該技術研發的產品用于發動機燃燒診斷，發動機燃燒發出的2.9-5微米波長范圍內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微米輻射等發射譜能夠轉換成可見光后被觀測，并通過改變工作溫度及極化周期來調整不同的光譜。例如在某種飛機載告警設備中，根據目標不同探測波段，可將告警系統分為紫外告警系統和紅外告警系統。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，所以日盲區紫外告警也主要針對此波段的目標，來減少不必要的虛警。此外，紫外告警系統所采用的增強型電荷耦合器件（ICCD，Intensified Charge Coupled Device）也具有操作靈敏度較高的優點，但其分辨率只有256x256，明顯低于精確探測標準，且易產生虛警問題。而紅外告警系統則采用焦平面陣列器件，對目標3～5微米的波段進行探測，分辨率較高，最高可達1280x1024個像素，但其造價成本過高，且其探測靈敏度一般，對地物的虛警也比較高。為提高系統性能，采用紅外、紫外和可見光多波段比色探測（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，旨在最終能夠實現單光子水平的探測和多波段比色判別。為了實現可見光探測器探測紅外輻射，在進入可見光探測器之前對入射的紅外輻射信號進行頻率上轉換。高清紅外焦平面陣列價格昂貴，是同等量級可見光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換技術，在實現高清紅外探測的同時，還可以圖像處理方法實現雙波段復合探測，在制導抗干擾、跟蹤瞄準和目標識別方面有良好的應用前景。

1 實驗結果及討論

準相位匹配（Quasi-Phase Matching，QPM）就是通過晶體非線性極化率的周期性調制，補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頻率變換效率的增強的技術。準相位匹配技術可以利用改變非線性介質溫度、入射光角度、泵浦光波長調整輸出波長，可以優化與探測器光譜響應度的匹配性，進而實現更高靈敏度探測。選擇較大非線性系數材料，可以實現較高轉換效率，大尺寸工藝逐漸成熟，可用較長晶體來提高轉換效率。利用不受波矢和偏振方向限制的優點，三波的偏振方向可以任意選擇，降低了入射角的要求，可實現大視場探測。選擇透光范圍寬的材料，理論上可實現寬波長一體化探測應用。

本實驗目的是拓寬非線性晶體的應用范圍，提高非線性光學轉換效率，使光頻一體化探測成為現實。非相干光轉換實驗主要基于三種周期性極化晶體來實現頻率變換，其原理如圖1所示。通過文獻資料總結的晶體材料性能特點如表2所示。本文以PPLN為例，利用準相位匹配技術實現頻率上下轉換，使非可見光的寬波段非相干輻射轉換為可見光輸出成為可能。

圖2是本實驗的實驗裝置。具體實驗條件如下：1064nm納秒脈沖激光泵浦、激光平均功率最大20W、無諧振腔;轉換條件：兩束入射光在晶體內保持重合;滿足相位匹配條件：ω2為特定波長（10nm）、特定角度入射（3mrad）;轉換效率η=20%;與傳統紅外和紫外探測相比，本實驗裝置的優點是探測靈敏度高、無需制冷、價格較低;缺點是需要功率較大的泵浦光（102W）、探測帶寬小（10nm，與泵浦光帶寬有關）。

通過本實驗發現，十米內對蠟燭進行上轉換成像需要的泵浦光功率≈4W;晶體上轉換帶寬比較窄：<10nm，適合激光、發射譜等窄譜段探測，不適于寬譜段、遠距離探測;采用啁啾極化或寬譜泵浦的方式有望加寬上轉換帶寬，但同時會犧牲轉換效率;采用的周期極化的晶體厚度較小（≤1mm），探測視場受限，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大視場。

2 結論及展望

本文以PPLN為晶體材料，利用精度高、靈敏度高且價格低廉的可見波段探測設備進行探測，通過準相位匹配技術實現頻率上下轉換，實現了紫外、可見光和紅外的三波段一體化探測。但依據頻率變換的光頻一體化探測技術仍有許多問題需進一步解決，主要有以下幾個問題：（1）需要進一步改進和優化實驗設計，提高轉換效率;（2）雖然完成了頻率上轉換實驗，但日盲區紫外轉為可見光的頻率下轉換還沒有實現，而它的實現對構建完整的多光譜探測與目標識別具有重要意義;（3）目前僅僅研究了多光子頻率上轉換，單光子的頻率上轉換還沒有被實現。單光子檢測技術才是實現高靈敏度探測的核心，也是實現在光學雷達、制導等探測系統中應用的關鍵。

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