紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)研究進(jìn)展

汪 韜,馬曉燠,楊奇龍

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;2.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所,四川 成都 610209;3.重慶連芯光電技術(shù)研究院有限公司,重慶 400021)

1 引 言

紅外或近紅外,尤其是光通信波段的光子波長(zhǎng)處在大氣和光纖的低損耗傳輸窗口,在生物醫(yī)學(xué)成像[1]、國(guó)防軍事[2]、氣體分析[3]和量子信息[4]領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用。目前最先進(jìn)的直接紅外探測(cè)器有熱傳感器[5-6]、半導(dǎo)體探測(cè)器[6-8]或超導(dǎo)納米線探測(cè)器[9-10]。熱傳感器成本低廉,由于其響應(yīng)速度慢、靈敏度低,只能用于對(duì)精度和速度要求不高的場(chǎng)合；半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏度高,但需要冷卻操作和精密處理；超導(dǎo)納米線探測(cè)器具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn),但是在幾mK到K的極低溫度下工作,成本高昂。

與之相比,可見(jiàn)光波段的單光子探測(cè)器件(Si-APDs、PMTs)和CCD傳感器具有量子效率高、暗計(jì)數(shù)低以及響應(yīng)快的特點(diǎn)。因此,有效地將中、近紅外光上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光,并利用可見(jiàn)光高性能的探測(cè)器探測(cè)的上轉(zhuǎn)換技術(shù)引起了人們的注意。1968年,Midwinter首次實(shí)現(xiàn)了從短波紅外1.6 μm到可見(jiàn)光484.2 nm的參量上轉(zhuǎn)換成像,他利用輸出功率為0.5 W的紅寶石激光器泵浦氙燈照射的目標(biāo)在LiNbO3晶體中進(jìn)行上轉(zhuǎn)換,并利用柯達(dá)相機(jī)采集上轉(zhuǎn)換圖像,獲得了50線的空間分辨率和10-7的轉(zhuǎn)換效率[11]。然而,受到晶體材料、泵浦功率和探測(cè)器性能的限制,這項(xiàng)技術(shù)在1970年后幾乎無(wú)人問(wèn)津。

21世紀(jì)以來(lái),隨著頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的快速發(fā)展,上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)重新引起了人們的興趣。2002年,Christopher D.Brewer等人[12]在利用LiNbO3晶體實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)紅外回波信號(hào)到可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換接收機(jī)中,通過(guò)使用微透鏡陣列使系統(tǒng)的視場(chǎng)增加了6 %,光束耦合效率提高了18 %。2004年,David J.M.Stothard等人[13]實(shí)現(xiàn)了緊湊的、泵增強(qiáng)的和連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器的用于氣體主動(dòng)實(shí)時(shí)高光譜成像的可調(diào)諧系統(tǒng)。2010～2011年,Benot ChalopinS.[14]、Bonora[15]、Mark D.Petersen[16]等人分別使用自成像諧振腔增強(qiáng)、氧化釩薄膜層中的高對(duì)比度光開(kāi)關(guān)和用kHz放大激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二次諧波圖像上轉(zhuǎn)換。2015年,A.J.Torregrosa等人[17]通過(guò)放大自發(fā)輻射(ASE)光纖光源照射的1550 nm波長(zhǎng)的入射圖像和頻得到視場(chǎng)顯著增強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換像。2018年,H.Maestre[18]、Dismas K.Choge[19]等人利用PPLN晶體溫度梯度誘導(dǎo)啁啾的可重構(gòu)性實(shí)現(xiàn)紅外圖像上轉(zhuǎn)換,分別增強(qiáng)了上轉(zhuǎn)換圖像的視場(chǎng)和拓寬了輸入紅外波的光譜接收范圍。2020年,Juan Capmany等人[20]通過(guò)在泵浦光束腔內(nèi)放置一個(gè)通過(guò)對(duì)相位匹配條件瞬態(tài)電光抑制的非線性晶體,實(shí)現(xiàn)了對(duì)上轉(zhuǎn)換圖像的快速、靈活實(shí)時(shí)選通的內(nèi)腔非線性圖像選通上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。2009至今,丹麥技術(shù)大學(xué)光子實(shí)驗(yàn)室的C.Pedersen團(tuán)隊(duì)對(duì)上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)進(jìn)行了大量研究,他們對(duì)提高圖像上轉(zhuǎn)換的效率[21,27]、空間分辨率[23-27]、視場(chǎng)[26]和噪聲特性[27]等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的圖像視場(chǎng)、空間分辨率、上轉(zhuǎn)換效率、噪聲和成本是阻礙其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文首先對(duì)紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單敘述,隨后介紹了提高上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)性能的不同方法并進(jìn)行了比較,最后展望了紅外圖像上轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)原理

紅外上轉(zhuǎn)換成像是利用非線性光學(xué)和頻過(guò)程,將紅外照明的圖像上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光光譜,同時(shí)保持其量子特性的不變,然后利用可見(jiàn)光譜范圍具有更好性能的圖像傳感器成像。與現(xiàn)有的紅外光譜范圍和THz區(qū)域的成像傳感器相比,上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)可以獲得實(shí)時(shí)的、全非掃描的二維圖像[28]。這種方法充分利用了可見(jiàn)光波段圖像傳感器在噪聲、速度、分辨率或非制冷操作方面更優(yōu)的性能,克服了紅外圖像傳感器暗噪聲高、需制冷等缺點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)紅外圖像高靈敏度、高分辨率成像。

紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的基本原理如圖1(圖片改編自文獻(xiàn)[22])所示,角頻為ω1的紅外照射的目標(biāo)形成目標(biāo)圖像,攜帶目標(biāo)信息的紅外光子與角頻為ωp的泵浦光子由二向色鏡DM合束,由透鏡L1耦合到非線性晶體中,通過(guò)和頻產(chǎn)生頻率ωup的上轉(zhuǎn)換圖像,并由透鏡L2將上轉(zhuǎn)換的圖像投影到的探測(cè)器D上。

圖1 上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)原理

上轉(zhuǎn)換圖像的分辨率隨非線性晶體內(nèi)上轉(zhuǎn)換激光模式的大小而變,根據(jù)文獻(xiàn)[21]、[22]中推導(dǎo)出的理論模型,上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)可由下式描述:

(1)

在系統(tǒng)的光學(xué)損耗和非線性損耗可以忽略的情況下,紅外圖像上轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光的量子效率主要由頻率轉(zhuǎn)換的效率和可見(jiàn)光相機(jī)的量子效率決定。在相干光源照明的情況下,束腰尺寸與量子效率成反比。對(duì)于圖1所示的非線性晶體位于4f系統(tǒng)的中心的情況,假設(shè)目標(biāo)受單色源照明,共焦長(zhǎng)度大于晶體長(zhǎng)度lc,上轉(zhuǎn)換圖像的強(qiáng)度Iup可由下式描述:

(2)

式中,Pp是泵浦強(qiáng)度;EIR是輸出圖像的電場(chǎng)強(qiáng)度;PSF為系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù),M=-λ3f1/λ1f是成像系統(tǒng)的縮放因子;C是與上轉(zhuǎn)換效率相關(guān)的系數(shù),由下式計(jì)算所得:

(3)

其中,deff是非線性晶體的有效非線性系數(shù);λ1是輸入圖像的光譜波長(zhǎng);ni=1,2,3分別表示輸入圖像、泵浦和上轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)。

當(dāng)使用非相干源照明目標(biāo)時(shí),值得注意的是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)作用于目標(biāo)圖像的強(qiáng)度,而不是相干源照明時(shí)目標(biāo)場(chǎng)的電場(chǎng)。因此,上轉(zhuǎn)換圖像強(qiáng)度為:

(4)

其中,c是真空光速;ε0是真空介電常數(shù)。

相干照明時(shí)上轉(zhuǎn)換圖像強(qiáng)度與束腰半徑w0成反比,與之相比,非相干照明時(shí)上轉(zhuǎn)換的圖像強(qiáng)度與光束大小w0完全無(wú)關(guān)。上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)是PSF的傅里葉變換,這意味著晶體內(nèi)部的激光束形狀決定了OTF。另一個(gè)有趣的特征是,式(4)不是f的函數(shù),只是作為圖像的放大系數(shù),這也與相干情況形成對(duì)比[22]。

3 紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)研究現(xiàn)狀

與直接紅外成像技術(shù)相比,紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)具有響應(yīng)速度塊、靈敏度高和噪聲特性優(yōu)良等。圖像上轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率、空間分辨率、視場(chǎng)以及噪聲特性是影響其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來(lái),人們對(duì)提高紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行了大量的研究,并取得了眾多高水平的研究成果。本節(jié)分別介紹了人們?cè)谔岣呒t外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率、空間分辨率和視場(chǎng)方面作出的研究工作,以及其他方面的研究成果。

3.1 高轉(zhuǎn)換效率圖像上轉(zhuǎn)換

在高靈敏度的應(yīng)用中,圖像上轉(zhuǎn)換的效率尤為重要。圖像上轉(zhuǎn)換的理論表明了增強(qiáng)泵浦強(qiáng)度可以有效提高轉(zhuǎn)換效率,因而采用腔增強(qiáng)、多通等方式可以增加上轉(zhuǎn)換圖像的轉(zhuǎn)換效率。隨著晶體生產(chǎn)和摻雜等晶體學(xué)技術(shù)的發(fā)展,具有大非線性系數(shù)、高損傷閾值和極化周期多樣等具有優(yōu)良性能的晶體在頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用腔增強(qiáng)、雙共振、多通和多塊晶體級(jí)聯(lián)等方式,圖像上轉(zhuǎn)換的效率逐漸提高。

C.Pedersen等人[21]證明了將一幅完整的電磁光譜圖像轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的期望波長(zhǎng)區(qū)域的高轉(zhuǎn)換效率方法,圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖[21]。他們用765 nm高斯光束照射金屬透射掩模產(chǎn)生圖像,然后將圖像聚焦在1342 nm固體Nd∶YVO4激光器的高腔內(nèi)場(chǎng)中的非線性PPKTP晶體中,生成488 nm處的上轉(zhuǎn)換圖像。采用連續(xù)波泵浦和非共線準(zhǔn)相位匹配技術(shù),實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了40 %的上轉(zhuǎn)換效率。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2015年,華東師范大學(xué)的唐瑞凱等[29]人驗(yàn)證了分別使用空間物體和相位物體,在同步脈沖泵浦系統(tǒng)少光子水平的二維近紅外成像過(guò)程中,強(qiáng)度和相位信息的空間分布得到了很好地保留。在背景噪聲為1.5×103計(jì)數(shù)/秒(cps)的情況下,對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制的二維圖像,量子轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27 %。對(duì)于軌道角動(dòng)量為1°的相位調(diào)制光子束,在背景噪聲為3.8×103cps的情況下,他們得到了68 %的量子轉(zhuǎn)換效率。最后,在12.5 %量子轉(zhuǎn)換效率和1.1×103cps背景噪聲的條件下,實(shí)現(xiàn)了3.39 μm的中紅外成像。

2017年,黃楠等人[30]報(bào)道了一種非相干連續(xù)波弱光源從中紅外光到近紅外光的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成像,其最低輸入功率為31 fW。在窗口波長(zhǎng)為2.9 μm到3.5 μm的可調(diào)電源的熱燈泡的發(fā)光的非相干中紅外圖像用于上轉(zhuǎn)換。在周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體周圍806 nm的LD泵浦1064 nm的激光腔中實(shí)現(xiàn)了和頻產(chǎn)生。利用硅基攝像機(jī)對(duì)波長(zhǎng)范圍為785 nm、分辨率約為120×70像素的紅外圖像進(jìn)行低噪聲檢測(cè)。通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),預(yù)測(cè)了正確偏振、軸上和相位匹配光的上轉(zhuǎn)換量子效率為28 %。

然而,由于受到矯頑電場(chǎng)的影響,目前周期極化非線性晶體的厚度只有mm量級(jí),不利于實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和大視場(chǎng)上轉(zhuǎn)換成像。摻雜有利于降低非線性晶體的矯頑電場(chǎng),更大通光孔徑的非線性晶體的將有效彌補(bǔ)上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)在這方面的缺點(diǎn)。

3.2 高空間分辨率圖像上轉(zhuǎn)換

在實(shí)際中,泵浦光是一個(gè)有限尺寸的光束,它影響甚至決定了系統(tǒng)的PSF。通常,泵浦光束腰直徑小于晶體的橫向尺寸,并且上轉(zhuǎn)換發(fā)生在晶體內(nèi)部信號(hào)光和泵浦光重疊的區(qū)域中；因此,泵浦光尺寸決定了空間分辨率。由式(1)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可知,非線性晶體內(nèi)上轉(zhuǎn)換激光模式的大小越大,上轉(zhuǎn)換圖像的空間分辨率越高,然而,相干源照明時(shí)的圖像上轉(zhuǎn)換功率與光束半徑的平方成反比。對(duì)于非相干源照明情況,上轉(zhuǎn)換圖像強(qiáng)度與束腰半徑無(wú)關(guān),并且非相干源具有更大的激光模式。這表明,非相干源照明目標(biāo)可以得到增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換圖像的高空間分辨率。

根據(jù)這一原理,2010年,J.S.Dam等人[24]把PPKTP晶體置于半導(dǎo)體激光器泵浦Nd∶YVO4晶體的激光腔內(nèi),利用25 W標(biāo)準(zhǔn)照明燈泡的燈絲經(jīng)750 nm帶通濾波器濾波后作為目標(biāo)圖像,由CCD相機(jī)探測(cè)上轉(zhuǎn)換圖像,實(shí)現(xiàn)了熱照明物體超過(guò)200×1000像素的分辨率,系統(tǒng)的量子效率為10-4,圖3為上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24]

圖3 上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨后,J.S.Dam等人提出了一個(gè)非相干圖像上轉(zhuǎn)換的綜合理論,并對(duì)相干和非相干源照明圖像上轉(zhuǎn)換進(jìn)行了比較[22]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示[22],其中圖4(a)是非相干源照明目標(biāo)時(shí)上轉(zhuǎn)換圖像,圖4(b)是理論計(jì)算出非相干源照明的上轉(zhuǎn)換圖像,圖4(c)是理論計(jì)算出的相干源上轉(zhuǎn)換圖像。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出非相干源照明時(shí)具有比相干源更高的空間分辨率。

圖4 相干和非相干源照明標(biāo)準(zhǔn)分辨率目標(biāo)的上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 視場(chǎng)增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換成像

成像系統(tǒng)的視場(chǎng)是其關(guān)鍵參數(shù)之一,成像系統(tǒng)的視場(chǎng)越大,成像范圍更廣。特別是對(duì)于利用掃描元件或掃描鏡對(duì)目標(biāo)物以瞬時(shí)視場(chǎng)為單位進(jìn)行逐行逐點(diǎn)采樣的掃描成像,上轉(zhuǎn)換器的視場(chǎng)角必須近似等于或大于紅外光譜入射角。上轉(zhuǎn)換過(guò)程的視場(chǎng)大小受到非線性晶體的有限角度接受的制約。一方面,角度接受受到非線性晶體有限截面尺寸的限制；另一方面,用于頻率轉(zhuǎn)換的非線性晶體中非共線相位匹配是角度敏感的,準(zhǔn)相位匹配過(guò)程的角接受帶寬限制了更大角度光束的上轉(zhuǎn)換。

3.3.1 寬帶光源

上轉(zhuǎn)換角度越寬,上轉(zhuǎn)換圖像中的視場(chǎng)(FoV)越大。然而,非共線相互作用中的上轉(zhuǎn)換角度是波長(zhǎng)敏感的,寬帶光源將允許相位匹配條件擴(kuò)展到更寬的入射角,因此,遠(yuǎn)離光軸的不同波長(zhǎng)的目標(biāo)點(diǎn)將被有效的上轉(zhuǎn)換。圖像上轉(zhuǎn)換技術(shù)中,激光照明可以提供比熱源更高的照明亮度,然而,寬帶和多波長(zhǎng)源可以產(chǎn)生平滑和加寬的視場(chǎng)。

最近,Demur等人[31]提出了通過(guò)調(diào)整泵浦光譜來(lái)提高FoV的替代方案。他們使用帶寬幾納米的寬帶激光在一次采集(采集時(shí)間=20 μs)中上轉(zhuǎn)換由1563 nm的連續(xù)激光照射的整個(gè)物體(寬視場(chǎng)),利用QPM技術(shù)在PPLN晶體中實(shí)現(xiàn)圖像上轉(zhuǎn)換。

2015年,A.J.Torregrosa報(bào)道了一種將放大自發(fā)輻射(ASE)光纖光源照射的1550 nm波長(zhǎng)(人眼安全)的入射圖像與連續(xù)波二極管泵浦Nd3+:GdVO4激光器產(chǎn)生的1064 nm高斯光束混合,在周期極化的鈮酸鋰(PPLN)晶體中進(jìn)行和頻得到631nm的紅光光譜區(qū)附近的上轉(zhuǎn)換像,并利用非增強(qiáng)型CCD相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉圖像的系統(tǒng)[17]。相對(duì)于使用相干激光照明進(jìn)行上轉(zhuǎn)換,ASE照明的使得視場(chǎng)(FOV)顯著增加。如圖5所示[17],每個(gè)圖案底部的波矢量圖說(shuō)明了不同入射角和不同紅外照明波長(zhǎng)所達(dá)到的相應(yīng)QPM峰值條件。圖5(d)顯示了使用ASE照明時(shí)產(chǎn)生的情況。與用于激光照明的圖5(a)相比,可以在上轉(zhuǎn)換圖像中的FOV明顯的增加。這是由于ASE光源的光譜更寬,它為每個(gè)上轉(zhuǎn)換的輸入角提供了必要的波長(zhǎng)。

圖5 不同條件下調(diào)諧的照明激光束獲得的上轉(zhuǎn)換圖案

3.3.2 熱梯度

圖像上轉(zhuǎn)換器的視場(chǎng)與要上轉(zhuǎn)換的紅外輻射的波長(zhǎng)光譜含量緊密相關(guān)。因此,二維圖像上轉(zhuǎn)換需要在非共線準(zhǔn)相位匹配(NCQPM)過(guò)程中加入一組不同的入射角。因此,需要一個(gè)多波長(zhǎng)的光源來(lái)上轉(zhuǎn)換盡可能多的紅外入射角。上述的研究表明,在適當(dāng)?shù)墓庾V整形下,寬帶或多波長(zhǎng)源可以在圖像上轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生平滑和加寬的視場(chǎng)。然而,通過(guò)在PPLN晶體的兩端加入熱極和冷極形成的熱梯度會(huì)導(dǎo)致晶體中的折射率梯度,從而引起相互作用波的波矢失配,這種機(jī)制可以在單波長(zhǎng)源照明時(shí)有效拓寬QPM的帶寬。波矢量失配的這種變化也是啁啾P(pán)PLN光柵的一個(gè)特點(diǎn),因此,這種技術(shù)與寬帶源等效,特別是,熱梯度允許重構(gòu)晶體中的非線性過(guò)程。

2016年,H.Maestre等人[32]提出了一種利用晶體熱梯度增加單色源照明目標(biāo)的圖像上轉(zhuǎn)換視場(chǎng)的方法。隨后他們?cè)?018年進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖6所示[18]。在他們的工作中,探討了在使用單波長(zhǎng)激光照明時(shí),將熱梯度應(yīng)用于PPLN晶體有助于拓寬上轉(zhuǎn)換器的角度接受范圍,以增加上轉(zhuǎn)換器的視場(chǎng)。與單波長(zhǎng)光源照明相比,寬帶光源照明降低目標(biāo)圖像的亮度。因此,在某些需要更大視場(chǎng)和更遠(yuǎn)距離照明的場(chǎng)合中,采用單波長(zhǎng)照明源結(jié)合晶體熱梯度的技術(shù)比采用寬帶光源更有優(yōu)勢(shì)。

圖6 晶體熱梯度的1.55um照明上轉(zhuǎn)換器

3.3.3 晶體角度調(diào)諧

以往實(shí)現(xiàn)單色上轉(zhuǎn)換成像的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是需要大量的后處理以獲得大視場(chǎng)(FoV),這妨礙了它用于快速2D數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r(shí)視頻幀速率成像。S.Junaid等人[33]首次提出了一種無(wú)需對(duì)圖像進(jìn)行后處理、以視頻幀速率(40 Hz)工作、具有放大視場(chǎng)的單色中紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7[34]所示,其中皮秒OPO的閑頻光束用作照明源,同步皮秒1064 nm激光源用作泵浦源。光束在空間和時(shí)間上重疊在非線性晶體(鈮酸鋰)中以實(shí)現(xiàn)高效的上轉(zhuǎn)換。通過(guò)同步改變晶體相對(duì)于z軸的旋轉(zhuǎn)角度和相機(jī)積分時(shí)間來(lái)掃描相位匹配條件。在他們的實(shí)驗(yàn)裝置中,使用切向相位匹配應(yīng)用1 °晶體角度調(diào)諧,在上轉(zhuǎn)換圖像中獲得64 k像素,與非角度調(diào)諧裝置相比,FoV增加了5倍,空間可分辨元素?cái)?shù)量增加了25倍。

圖7 基于晶體旋轉(zhuǎn)上轉(zhuǎn)換的成像裝置

由于受到周期極化非線性晶體有限截面尺寸的限制,上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的視場(chǎng)受到很大限制。為了在晶體有限通光孔徑的前提下提高紅外目標(biāo)圖像的視場(chǎng),上述利用寬帶光源(如熱源、ASE等)、晶體熱梯度和晶體旋轉(zhuǎn)等技術(shù)手段是一種有效的嘗試。其中晶體熱梯度技術(shù),可以采用相干照明以提高照明距離和上轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)擴(kuò)大視場(chǎng)。除此之外,物體平面的空間平移[34]和使用微透鏡陣列(MLAs)代替通常的宏觀透鏡[12]等方式也能實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換成像視場(chǎng)的增強(qiáng)。

3.4 其他上轉(zhuǎn)換成像

利用腔增強(qiáng)可以獲得接近100 %的頻率上轉(zhuǎn)換效率,然而,增強(qiáng)腔對(duì)諧振激光束起著空間濾波器的作用,只傳輸與腔的共振厄米-高斯本征模相對(duì)應(yīng)的模式部分,其他的強(qiáng)度被反射回來(lái)。增強(qiáng)腔的濾波機(jī)制阻止了任何復(fù)雜圖案的傳輸及其圖像的上轉(zhuǎn)換成像。

針對(duì)上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)中的增強(qiáng)腔的空間濾波作用,2018年,Santosh Kumar等人[35]在泵浦光和信號(hào)光路中分別加入空間光調(diào)制器,通過(guò)控制泵浦光的空間分布選擇性地上轉(zhuǎn)換信號(hào)光的空間模式,實(shí)驗(yàn)證明了通過(guò)非線性晶體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間模式的選擇性頻率上轉(zhuǎn)換。該方法可用于經(jīng)典和量子通信中高階模的空間模式解復(fù)用以及圖像處理。

在集成上轉(zhuǎn)換成像器件方面,2019年,Peng Bai,Yueheng Zhang等人[36]介紹了一種基于集成了P型GaAs同質(zhì)結(jié)界面功函數(shù)內(nèi)光電發(fā)射(HIWIP)探測(cè)器和用于無(wú)像素成像LED的太赫茲光子型上轉(zhuǎn)換成像器件。與傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換器件相比,發(fā)光二極管的外量子效率提高了72.5 %,實(shí)現(xiàn)了1.14×10-2的峰值上轉(zhuǎn)換效率。該工作提供了一種不同的太赫茲波段成像方案這種上轉(zhuǎn)換成像器件有望在醫(yī)療保健、食品藥品安全、無(wú)損檢測(cè)以及國(guó)家安全等方面的獲得廣泛應(yīng)用。

在微納領(lǐng)域,上轉(zhuǎn)換納米顆粒通常將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光,在生物成像領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。2020年,李輝等人[37]描述了一種通過(guò)在808 nm處具有多種不同壽命的組織穿透上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)的時(shí)域識(shí)別實(shí)現(xiàn)多路上轉(zhuǎn)換活體成像的方法。四疇納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠以定義的方式操縱受限納米疇內(nèi)的能量遷移和上轉(zhuǎn)換過(guò)程,從而在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)產(chǎn)生具有精確控制壽命的用于時(shí)域多色上轉(zhuǎn)換成像的高效UCL。這種時(shí)間復(fù)用上轉(zhuǎn)換方法,在活體成像和多級(jí)抗假冒技術(shù)中得到了證明,對(duì)高通量生物傳感、容積顯示和診斷治療具有重要意義。

4 紅外成像技術(shù)比較

紅外或近紅外波段的探測(cè)器是推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)成像、國(guó)防軍事、氣體分析和量子信息等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。影響紅外成像系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有光譜響應(yīng)范圍、量子效率、視場(chǎng)、空間分辨率和噪聲特性,表1給出了最新的熱傳感器、半導(dǎo)體探測(cè)器、超導(dǎo)探測(cè)器以及采用不同技術(shù)的上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的性能參數(shù)。

表1 直接與上轉(zhuǎn)換紅外成像技術(shù)比較

熱釋電紅外傳感器是基于光熱效應(yīng)的被動(dòng)紅外成像器件,通過(guò)感知材料溫度的改變產(chǎn)生熱電流實(shí)現(xiàn)熱成像。雖然熱釋電紅外探測(cè)器具有大視場(chǎng)、低成本和低能耗的優(yōu)點(diǎn),但是其響應(yīng)速度慢、靈敏度低,因此只能用于精度和速度要求不高的場(chǎng)合。

目前技術(shù)比較成熟的用于紅外成像的半導(dǎo)體探測(cè)器主要有InAs雪崩二極管陣列和InGaAs/InP焦平面陣列。InAs雪崩二極管陣列基于雪崩效應(yīng),具有量子效率高、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),然而對(duì)制冷和操作精密度要求較高。已經(jīng)證明了光子計(jì)數(shù)雪崩光電二極管的大陣列,但是材料和其他限制限制了它們的探測(cè)效率、速度和暗計(jì)數(shù)率。2018年,美國(guó)UTC Aerospace Systems公司推出的1280×1024像素短波紅外的InGaAs焦平面陣列在光譜范圍、量子效率和分辨率方面具有卓越的性能,但是該產(chǎn)品受到美國(guó)相關(guān)部門(mén)的出口限制。超導(dǎo)納米線探測(cè)器具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn),由于需要亞K制冷,工作速度相對(duì)較低,并且亞K工作溫度使大型陣列極為復(fù)雜,成本高昂。

上轉(zhuǎn)換探測(cè)器是結(jié)合了可見(jiàn)光光子探測(cè)器的優(yōu)良性能的一種紅外成像新手段。采用寬帶泵浦、晶體熱梯度、晶體旋轉(zhuǎn)以及非共線準(zhǔn)相位匹配等技術(shù)使上轉(zhuǎn)換探成像的視場(chǎng)最大達(dá)到了8°。利用內(nèi)腔增強(qiáng)周期極化晶體中準(zhǔn)相位匹配的方式,極大地提高了紅外目標(biāo)圖像的轉(zhuǎn)換效率。目前結(jié)合可見(jiàn)光高性能的光子探測(cè)器和CCD傳感器,具有10×10像素空間分辨率的上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的總體效率可達(dá)25 %,并且較高的轉(zhuǎn)換效率使弱紅外目標(biāo)的檢測(cè)成像成為可能。

相對(duì)于那些依賴于低溫甚至是超低溫冷卻的商用紅外探測(cè)器,紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是不需要冷卻的前提下能夠提供較高的靈敏度,并且能夠?qū)崿F(xiàn)較高的空間分辨率和較大的視場(chǎng)。因此,紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)適用于低光子成像、量子成像、顯微鏡裝置中的高分辨率二維成像到多維成像等各種成像領(lǐng)域。隨著新的應(yīng)用、跨學(xué)科研究和技術(shù)跨越式發(fā)展,上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的光譜響應(yīng)將會(huì)向紫外和中遠(yuǎn)紅外更廣的波段延伸,并可能在未來(lái)幾年產(chǎn)生更多有價(jià)值的科學(xué)成果。

5 總結(jié)與展望

紅外上轉(zhuǎn)換成像是將紅外或近紅外光照射的目標(biāo)圖像通過(guò)非線性頻率轉(zhuǎn)換為可將光,并用在可見(jiàn)光波段具有高性能的CCD等光電傳感器進(jìn)行探測(cè)成像的一種有效技術(shù)途徑,在生物醫(yī)學(xué)成像、國(guó)防軍事、氣體分析和量子信息等諸多領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用前景。紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)有效克服了用于直接紅外或近紅外成像過(guò)程的光電探測(cè)器量子效率低、響應(yīng)慢、暗噪聲大以及需要低溫甚至是超低溫冷卻等缺點(diǎn),在提高了紅外成像系統(tǒng)的性能的同時(shí)可以降低系統(tǒng)的體積、復(fù)雜度和成本。圖像視場(chǎng)和空間分辨率、系統(tǒng)的噪聲特性和成本是影響紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。本文首先介紹了紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的原理,隨后分別介紹了目前國(guó)內(nèi)外在上轉(zhuǎn)換圖像視場(chǎng)、空間分辨率、上轉(zhuǎn)換效率、噪聲和成本等方面的研究進(jìn)展,并對(duì)近幾年發(fā)展起來(lái)的具有針對(duì)性的上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)與直接紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比,本文旨在對(duì)上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)研究的近況進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)述,對(duì)新的上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)具有重要參考意義。

隨著性能更佳的非線性晶體出現(xiàn)和其他非線性材料的應(yīng)用,腔增強(qiáng)技術(shù)的優(yōu)化,結(jié)合現(xiàn)代CCD相機(jī)技術(shù)以及可見(jiàn)光子計(jì)數(shù)陣列的發(fā)展,紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)將在高轉(zhuǎn)換效率、高空間分辨率、大視場(chǎng)和低暗噪聲等性能方面具有更大的突破。上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)除了目前廣泛應(yīng)用于紅外或者近紅外光譜成像領(lǐng)域之外,還將擴(kuò)展到紫外或者中遠(yuǎn)紅外波段。并且,上轉(zhuǎn)換納米材料的應(yīng)用推動(dòng)著上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)向著微細(xì)化、集成化的方向發(fā)展。