非相干光光频一体化探测方法初探

王廷予 汪源浩

摘要：红外和紫外图像信号在制导、告警、跟踪瞄准、遥感、夜视以及天文观测等领域具有非常重要的作用。因此，红外图像的高精度探测尤为重要。但常用的红外探测器存在系统复杂、分辨率不高、灵敏度低且组件昂贵等一系列问题，而高灵敏度紫外探测器还只能利用光电倍增管转换成可见光，容易出现雪崩现象。本文创新性地提出了将非相干辐射通过激光泵浦转换成易于探测的可见光的方法，并通过实验验证，将目标的红外图像通过频率上转换至可见光图像，将紫外图像下转换到可见光图像，利用精度高、灵敏度高且价格低廉的可见波段探测设备进行探测，实现紫外、可见光和红外的三波段一体化探测，提出了实现上转换的方法和技术途径以及未来研究的方向。

关键词：频率上/下转换;准相位匹配;光频一体化;周期性极化晶体

中图分类号：TN241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0050-02

0 引言

光电探测是信息获取的重要手段。一般来说，探测设备要准确提供目标状态、图像、运动等细微特征，一些警戒和制导系统还要对目标属性进行判断，提供目标位置和距离等信息，识别目标并显示威胁等级。探测系统的重要指标是探测距离，这就需要有较高的探测灵敏度。对警戒系统来说，灵敏度、探测概率和虚警率存在相互制约的关系。综合各种探测设备的特点，一般分为红外探测、紫外探测以及可见光探测。随着半导体器件水平的提高，提高告警灵敏度的方法层出不穷。传统的集成式多波段探测对目标的识别有很大好处，但是也带来系统复杂和成本高的缺点。2012年丹麦技术大学首次利用可见光CCD观测红外光谱，实现了将非相干中红外光在室温下转换成了可见光波段的图像。2018年，瑞典隆德大学的李中山教授利用该技术研发的产品用于发动机燃烧诊断，发动机燃烧发出的2.9-5微米波长范围内有一系列特征的谱段，例如水蒸汽的2.9微米辐射和二氧化碳4.3微米辐射等发射谱能够转换成可见光后被观测，并通过改变工作温度及极化周期来调整不同的光谱。例如在某种飞机载告警设备中，根据目标不同探测波段，可将告警系统分为紫外告警系统和红外告警系统。由于目前已知大气臭氧层可吸收绝大部分0.25～0.28微米波段的光，所以日盲区紫外告警也主要针对此波段的目标，来减少不必要的虚警。此外，紫外告警系统所采用的增强型电荷耦合器件（ICCD，Intensified Charge Coupled Device）也具有操作灵敏度较高的优点，但其分辨率只有256x256，明显低于精确探测标准，且易产生虚警问题。而红外告警系统则采用焦平面阵列器件，对目标3～5微米的波段进行探测，分辨率较高，最高可达1280x1024个像素，但其造价成本过高，且其探测灵敏度一般，对地物的虚警也比较高。为提高系统性能，采用红外、紫外和可见光多波段比色探测（表1），可较好解决这些矛盾。

为此，本文提出光频一体化的解决办法，旨在最终能够实现单光子水平的探测和多波段比色判别。为了实现可见光探测器探测红外辐射，在进入可见光探测器之前对入射的红外辐射信号进行频率上转换。高清红外焦平面阵列价格昂贵，是同等量级可见光CCD的百倍以上，并且SWaP（体积、重量和功耗）性能差。通过非线性频率上转换技术，在实现高清红外探测的同时，还可以图像处理方法实现双波段复合探测，在制导抗干扰、跟踪瞄准和目标识别方面有良好的应用前景。

1 实验结果及讨论

准相位匹配（Quasi-Phase Matching，QPM）就是通过晶体非线性极化率的周期性调制，补偿由于折射率色散造成不同光的相位失配，从而获得非线性光学频率变换效率的增强的技术。准相位匹配技术可以利用改变非线性介质温度、入射光角度、泵浦光波长调整输出波长，可以优化与探测器光谱响应度的匹配性，进而实现更高灵敏度探测。选择较大非线性系数材料，可以实现较高转换效率，大尺寸工艺逐渐成熟，可用较长晶体来提高转换效率。利用不受波矢和偏振方向限制的优点，三波的偏振方向可以任意选择，降低了入射角的要求，可实现大视场探测。选择透光范围宽的材料，理论上可实现宽波长一体化探测应用。

本实验目的是拓宽非线性晶体的应用范围，提高非线性光学转换效率，使光频一体化探测成为现实。非相干光转换实验主要基于三种周期性极化晶体来实现频率变换，其原理如图1所示。通过文献资料总结的晶体材料性能特点如表2所示。本文以PPLN为例，利用准相位匹配技术实现频率上下转换，使非可见光的宽波段非相干辐射转换为可见光输出成为可能。

图2是本实验的实验装置。具體实验条件如下：1064nm纳秒脉冲激光泵浦、激光平均功率最大20W、无谐振腔;转换条件：两束入射光在晶体内保持重合;满足相位匹配条件：ω2为特定波长（10nm）、特定角度入射（3mrad）;转换效率η=20%;与传统红外和紫外探测相比，本实验装置的优点是探测灵敏度高、无需制冷、价格较低;缺点是需要功率较大的泵浦光（102W）、探测带宽小（10nm，与泵浦光带宽有关）。

通过本实验发现，十米内对蜡烛进行上转换成像需要的泵浦光功率≈4W;晶体上转换带宽比较窄：<10nm，适合激光、发射谱等窄谱段探测，不适于宽谱段、远距离探测;采用啁啾极化或宽谱泵浦的方式有望加宽上转换带宽，但同时会牺牲转换效率;采用的周期极化的晶体厚度较小（≤1mm），探测视场受限，下一步可考虑采用非极化晶体或多片极化晶体叠加的方式来扩大视场。

2 结论及展望

本文以PPLN为晶体材料，利用精度高、灵敏度高且价格低廉的可见波段探测设备进行探测，通过准相位匹配技术实现频率上下转换，实现了紫外、可见光和红外的三波段一体化探测。但依据频率变换的光频一体化探测技术仍有许多问题需进一步解决，主要有以下几个问题：（1）需要进一步改进和优化实验设计，提高转换效率;（2）虽然完成了频率上转换实验，但日盲区紫外转为可见光的频率下转换还没有实现，而它的实现对构建完整的多光谱探测与目标识别具有重要意义;（3）目前仅仅研究了多光子频率上转换，单光子的频率上转换还没有被实现。单光子检测技术才是实现高灵敏度探测的核心，也是实现在光学雷达、制导等探测系统中应用的关键。

参考文献

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