据麦姆斯咨询报道，近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室黄坤研究员与曾和平教授团队，联合上海理工大学梁焰副教授课题组，在中红外灵敏探测方面取得进展，设计并研制了一种高转换效率、低背景噪声、大动态范围的中红外上转换探测系统。该系统结合外腔泵浦增强技术和非线性频率转换技术，克服了传统红外探测器灵敏度低、噪声大、需低温制冷等瓶颈，可为弱光场景下红外探测、光谱以及成像提供有力支撑。
这项研究成果以“Highly sensitive mid-infrared upconversion detection based on external-cavity pump enhancement”为题于2024年5月27日在Advanced Photonics Nexus期刊在线发表。相关工作得到科技部、基金委、上海市、重庆市和华东师大的共同支持。
研究背景
中红外探测技术在环境监测、天文观测、生物医学和安防预警等领域有着广泛应用。相对于可见光波段，中红外光子能量较小，相应的光电探测器通常采用碲镉汞、锑化铟等窄带隙半导体材料。常温下，红外探测器受限于严重的暗电流与热噪声，其噪声等效功率一般在pW/Hz1/2量级，灵敏度远远无法胜任光子稀疏的应用场景。长期以来，研究人员致力于发展灵敏度更高、噪声更低的红外探测技术，以满足极弱微光照度下红外测控的迫切需求。
近年来，红外上转换探测技术备受瞩目，其通过非线性过程将红外光场转换到可见或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器获取红外信息，具有灵敏度高、响应速度快、可室温运行等优点。通常，上转换探测器按照泵浦方式可分成两类。一种是基于脉冲光泵浦，该方法利用脉冲高峰值功率、窄时间窗口的特性，能显著提升效率与抑制噪声。但是，脉冲泵浦方案仅适用于协同目标下的主动探测，应用场景受到较大限制。另一种采用连续光泵浦，以适用更为广泛的被动红外探测场景。相比脉冲泵浦方案，连续泵浦能有效提高时域随机红外信号的整体探测效率。但是，该方案在平均功率获取和参量噪声抑制上提出了更为严苛的要求，发展高效率、高灵敏的被动上转换探测仍颇具挑战。
研究创新
为了解决上述问题，研究团队设计并研制了基于外腔泵浦增强的中红外高灵敏上转换探测系统，所采用的实验装置如图1所示。
图1 外腔增强中红外上转换探测系统示意图
研究人员首先设计了低损耗的光学外腔，通过优化光学外腔的模式匹配与阻抗匹配，获得了36倍的泵浦功率增强；接着利用基于FPGA的全自动数字锁腔技术，将功率抖动控制在1%以内，并在腔内55 W的泵浦平均功率下，实现了22%的红外光子量子转换效率；最后结合高抑制比的滤波系统与高灵敏的硅基单光子计数器，实现了低至0.3 fW/Hz1/2的噪声等效功率，较此前记录提升了至少一个量级。进一步地，研究人员为了提高单光子灵敏度下探测动态范围，采用多像素光子计数器，有效拓宽了入射信号的线性响应区间。在该系统中，泵浦源和光学腔的模块化分离设计，规避了复杂的固态激光器设计，可以充分利用结构紧凑、鲁棒性高的光纤激光器。
图2 腔增强上转换探测系统装置图与性能表征
总结与展望
这项研究结合外腔泵浦增强技术与上转换探测技术，实现了高效率、低噪声的中红外上转换探测，其灵敏度相较于硫化铅、碲镉汞等传统探测器有着数量级提升。值得一提的是，所采用泵浦光源具有单纵模的超窄线宽，可以实现高保真的中红外光谱映射，为高精度分子光谱分析提供了可能。未来，该系统有望拓展到长波红外甚至太赫兹波段，可为高灵敏探测、光谱以及成像提供有效途径。
论文链接：
https://doi.org/10.1117/1.APN.3.4.046002
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
