[發明專利]一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術及裝置

在審

• 申請號: 202111150237.4
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN114486788A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 曾和平;王殷琪;黃坤;胡夢云
• 申請（專利權）人: 華東師范大學重慶研究院;華東師范大學;云南華譜量子材料有限公司;上海朗研光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;G01N21/01
• 代理公司: 安徽濰達知識產權代理事務所(普通合伙) 34166
• 代理人: 張蘭

1.一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術，用于實現中紅外波段的超靈敏、大視場范圍成像探測，其特征在于，包括如下內容：

(1)非線性頻率上轉換成像技術，通過非線性相干頻移將中紅外光子轉換到可見光波段，然后利用性能卓越的硅材料探測器探測，從而實現中紅外波段的超靈敏成像；

(2)采用啁啾極化晶體作為非線性介質，使得不同角度的入射信號都能夠有效匹配不同的反轉周期，并獲得高效率的頻率轉換，從而大幅提升頻率上轉換成像的視場角；

(3)采用窄帶單頻的連續泵浦與光學外腔增強結構相結合，實現泵浦光強度的顯著增強，從而進一步提高非線性轉換效率，提升信噪比，實現中遠紅外光譜的高分辨、高效率的相干頻移。

2.根據權利要求1所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術，其特征在于，所述內容(1)中非線性頻率上轉換成像技術，能夠實現中紅外到可見光波段的非線性轉換，在室溫條件下即可獲得中紅外成像。

3.根據權利要求1所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術，其特征在于，所述內容(2)具體方案如下：

設計和優化啁啾極化晶體的內稟反轉結構，使得更寬角度范圍內的入射紅外信號能夠有效匹配不同的反轉周期，拓寬視場范圍，實現單次大視場的頻率上轉換成像，并采用共線的工作方式，精簡了光路，增加了非線性作用長度，在整個過程中保持較高非線性轉換效率。

4.根據權利要求1所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術，其特征在于，所述內容(3)中采用窄帶單頻的連續泵浦方案，能夠覆蓋時域上隨機入射的紅外信號光子，且單縱模窄線寬泵浦光源具備極高的光譜亮度，有助于提高非線性轉換效率，避免激光多模競爭引起的強度抖動，適用于被動成像。

5.根據權利要求1所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像技術，所述內容(3)中采用光學外腔增強結構，可以實現泵浦強度數量級的提升，光學諧振腔對激光橫場模式進行空間濾波，可以使得腔內形成高質量的高斯光束，良好的空間模式匹配能夠增加非線性頻率變換的量子效率。

6.一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像裝置，其特征在于，所述裝置包括：作為泵浦光的單頻連續激光器、作為信號光的中紅外光源、待測物體樣品、光學腔、反饋控制系統以及包含啁啾晶體在內的頻率上轉換系統；

所述光學腔的前后放置兩個聚焦透鏡，將啁啾晶體放置于兩個透鏡之間焦點重合的位置，組成成像系統，將功率得到初步放大的窄線寬連續激光入射至腔內，泵浦光在腔內多次往返疊加，平均功率可以得到數量級的提升；

另一路，信號光中紅外光源在經過物平面后攜帶物體信息，通過聚焦透鏡進入腔增強結構，之后，泵浦光與信號光入射進入啁啾晶體，滿足相位匹配條件，通過非線性頻率轉換，將中紅外轉換到可見光波段，之后即可通過硅基CCD進行超靈敏成像探測。

7.根據權利6所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像裝置，其特征在于，所述光學腔為四鏡蝴蝶結行波腔，通過優化束腰位置光斑大小，同時評估腔內損耗，滿足入射泵浦光場阻抗匹配，獲得腔增強倍數所需光學腔精細度，此外采用全數字光學腔鎖定系統實現光學腔自動鎖定和智能監控，最終實現完全非線性轉換所需的百瓦量級的泵浦光功率。

8.根據權利6所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像裝置，其特征在于，所述的成像系統為4f成像系統。

9.根據權利6所述的一種大視場超靈敏的中紅外頻率上轉換成像裝置，其特征在于，所述的待測物體樣品包括但不限于生物細胞、工業材料、掩膜版。

10.根據權利6所述的裝置，其特征在于，所述的反饋控制系統采用光學腔智能鎖定系統與高速反饋驅動元件，通過數字帶寬反饋與可編程濾波技術實現諧振腔高精度鎖定與長時間穩定運行，能夠抑制光學腔鎖定引致的強度抖動與相位噪聲，增強紅外上轉換系統的探測性能。