基于頻譜遷移紅外探測(cè)的基本原理和最新研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的紅外探測(cè)主要基于銦鎵砷、銻鎘汞等半導(dǎo)體光子型探測(cè)器，然而這類探測(cè)器在常溫下具有靈敏度低和噪聲較大的缺點(diǎn)，高靈敏探測(cè)還需要深制冷，相對(duì)于成熟的硅探測(cè)器性能差距非常大。因此，將不易探測(cè)的紅外波段轉(zhuǎn)遷移至硅探測(cè)器的工作波段，并且利用高性能的硅基探測(cè)器進(jìn)行有效探測(cè)是一種可行的路徑。基于這種思想，目前發(fā)展了一種有效的頻譜遷移探測(cè)方法，即通過非線性和頻上轉(zhuǎn)換過程將紅外光子的頻譜遷移到硅探測(cè)器的探測(cè)波段，從而實(shí)現(xiàn)高效的探測(cè)。

圖1 頻譜遷移探測(cè)示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于頻譜遷移的紅外探測(cè)研究進(jìn)展（特邀）”為主題的綜述文章。該文章第一作者為周志遠(yuǎn)副教授，主要從事量子非線性光學(xué)和機(jī)構(gòu)光場(chǎng)調(diào)控方面的研究工作；通訊作者為史保森教授，主要從事冷原子物理和量子光學(xué)方面的研究工作。

本文系統(tǒng)介紹了基于頻譜遷移紅外探測(cè)的基本原理、主要參數(shù)和最新研究進(jìn)展，最后對(duì)潛在的研究趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

頻譜遷移探測(cè)基本原理

早在1990年，P. Kumar就通過量子光學(xué)的方法構(gòu)建了頻譜遷移探測(cè)基本原理，在非線性和頻過程中，湮滅一個(gè)信號(hào)光子和一個(gè)泵浦光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和頻光子。本章節(jié)利用頻譜遷移探測(cè)的量子光學(xué)描述和麥克斯韋方程描述，基于這兩種描述方式可以全面地分析量子光場(chǎng)以及經(jīng)典光場(chǎng)的頻譜遷移轉(zhuǎn)換過程。具體推演過程請(qǐng)見論文詳情。

頻譜遷移探測(cè)的主要指標(biāo)和參數(shù)

在利用頻譜遷移進(jìn)行探測(cè)的過程中，有一些關(guān)鍵的指標(biāo)參數(shù)衡量該復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)的性能，這些關(guān)鍵的指標(biāo)參數(shù)包括量子效率、系統(tǒng)噪聲、頻率帶寬和空間帶寬。下文針對(duì)這些參數(shù)的定義和依賴因素進(jìn)行詳細(xì)的描述。

量子效率

量子效率定義為一個(gè)輸入信號(hào)光子被上轉(zhuǎn)換到和頻光子的概率大小。根據(jù)前述理論描述，頻譜遷移的量子效率的一般表達(dá)式為：

量子噪聲

頻率轉(zhuǎn)換過程中的主要噪聲因素包括環(huán)境噪聲和由泵浦光引起的自發(fā)拉曼噪聲、自發(fā)參量噪聲、泵浦光倍頻后產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲，噪聲和三束光的關(guān)系如圖2所示。泵浦光引起的噪聲取決于晶體材料本身的特性和晶體的工作溫度，噪聲的強(qiáng)度大小可以通過單色儀和單光子探測(cè)器精確地測(cè)定。

圖2 短波和長(zhǎng)波泵浦下的噪聲分布情況。（a）短波長(zhǎng)泵浦情況；（b）長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦情況

通?？梢允褂觅|(zhì)量較好的干涉濾波片濾除大部分噪聲，但是當(dāng)泵浦光產(chǎn)生的自發(fā)參量噪聲或自發(fā)拉曼噪聲與信號(hào)光處于一個(gè)波段時(shí)，這些噪聲同樣可以與泵浦光發(fā)生高效和頻，且頻率變換后的二次噪聲與和頻信號(hào)也同處于一個(gè)波段，很難濾除。一般傾向于利用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光當(dāng)做泵浦光，如圖2（b）所示，這樣由泵浦光產(chǎn)生的較強(qiáng)的拉曼散射噪聲和自發(fā)參量噪聲波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以這些噪聲不會(huì)與信號(hào)光處于同一波段，也就不會(huì)再與泵浦光和頻產(chǎn)生難以濾除的二次噪聲。通常為了更好地濾除轉(zhuǎn)換帶來的噪聲，可以選擇較低的晶體工作溫度；另外，如果轉(zhuǎn)換后的和頻光帶寬較窄，選擇帶寬極窄的光柵濾波器可以極大地消除泵浦光帶來的噪聲干擾。

頻率帶寬

頻率帶寬定義為在指定泵浦頻率分布下，改變信號(hào)光場(chǎng)的頻率分布使轉(zhuǎn)換效率下降一半時(shí)的信號(hào)光的頻率改變大小。頻率帶寬與非線性晶體頻率變換過程的相位匹配條件密切相關(guān)。接收帶寬與晶體的相位失配和長(zhǎng)度密切相關(guān)。一般通過改變晶體的相位失配和長(zhǎng)度可以改變接收帶寬，其中晶體越短接收帶寬越大；另外，通過改變晶體的溫度分布、波長(zhǎng)色散和極化周期分布可以按需設(shè)計(jì)滿足要求的接收帶寬。

空間帶寬

空間帶寬定義為轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的空間頻譜范圍大小，對(duì)于圖像探測(cè)器一般用視場(chǎng)角來表征。在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用中考慮弱聚焦，若圖像邊緣的入射角度小于接收角時(shí)，上轉(zhuǎn)換過程的接收視場(chǎng)角度的大小則依賴于非線性晶體的橫截面和泵浦激光的束腰大小。當(dāng)晶體的橫截面小于光斑直徑時(shí)，晶體橫截面的大小直接決定了上轉(zhuǎn)換接收視場(chǎng)角的上限。而當(dāng)晶體橫截面大于光斑直徑時(shí)，接收視場(chǎng)角則由泵浦激光在晶體中的光斑所定義的軟“光闌”的大小決定（如圖3所示）。

圖3 頻譜遷移探測(cè)中接收視場(chǎng)角示意圖

頻譜遷移探測(cè)的主要研究進(jìn)展

頻譜遷移探測(cè)經(jīng)過多年的發(fā)展，其探測(cè)的光場(chǎng)從經(jīng)典的激光到量子光場(chǎng)，從單個(gè)點(diǎn)探測(cè)器到面探測(cè)器，波長(zhǎng)從近紅外延伸到中紅外波段。與此同時(shí)，針對(duì)頻譜遷移探測(cè)的主要指標(biāo)也進(jìn)行了深入研究，推進(jìn)相關(guān)指標(biāo)的顯著提升。下文首先介紹圍繞頻譜遷移探測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)提升的相關(guān)研究，然后介紹部分頻譜遷移探測(cè)相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景的研究進(jìn)展。

頻譜遷移探測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)研究及進(jìn)展介紹

量子效率

頻譜遷移過程的量子效率研究主要針對(duì)兩種物理結(jié)構(gòu)：一個(gè)是非線性波導(dǎo)體系，另一個(gè)是體塊晶體體系（如圖4所示）。波導(dǎo)體系相對(duì)于體塊晶體由于模場(chǎng)面積小，功率密度高，在較低的功率下即可實(shí)現(xiàn)非常高的量子效率，通過優(yōu)化波導(dǎo)的傳輸損耗和端面模式匹配，從進(jìn)波導(dǎo)到出波導(dǎo)的總體量子效率高達(dá)86.58%（內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率96.2%）。目前的主要波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括質(zhì)子交換的掩埋型波導(dǎo)和機(jī)械拋光的脊型波導(dǎo)，質(zhì)子交換掩埋型波導(dǎo)的損傷閾值較低，脊型波導(dǎo)的損傷閾值較高，可以承受較大的泵浦功率（如圖4（c）所示）。對(duì)于周期性極化波導(dǎo)，最近石英上的鈮酸鋰薄膜是一個(gè)比較熱點(diǎn)的體系，由于薄膜厚度在幾百納米量級(jí)，波導(dǎo)的導(dǎo)模尺寸進(jìn)一步減小，實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)換的泵浦功率可以進(jìn)一步降低（如圖4（d）所示）。由于鈮酸鋰薄膜中模場(chǎng)面積大幅度減小，其器件集成度將進(jìn)一步增加，然而百納米尺度波導(dǎo)的高效耦合問題是否能夠突破是鈮酸鋰薄膜頻譜遷移器件走向應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)于單點(diǎn)頻譜遷移探測(cè)應(yīng)用，非線性波導(dǎo)是一種比較理想的選擇。

對(duì)于基于體塊晶體的頻譜遷移探測(cè)應(yīng)用，為了提升轉(zhuǎn)換的量子效率，通常有兩種方式：第一種是通過諧振腔的方式增強(qiáng)泵浦光的功率，從而提升量子效率（如圖4（b）所示）；第二種是基于高峰值功率的脈沖激光獲得高的量子轉(zhuǎn)換效率（如圖4（c）所示）。相對(duì)于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，體塊晶體可以用于帶空間結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)或者圖像的轉(zhuǎn)換。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)光場(chǎng)或者圖像的頻譜遷移探測(cè)應(yīng)用，可以選擇體塊晶體作為非線性轉(zhuǎn)換介質(zhì)。

圖4 可用于實(shí)現(xiàn)頻譜遷移探測(cè)的不同光學(xué)結(jié)構(gòu)。（a）體塊晶體；（b）諧振腔中的體塊晶體；（c）脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；（d）納米鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)

量子噪聲

針對(duì)頻譜遷移過程中量子噪聲的研究具有一系列的研究結(jié)果和進(jìn)展，下面給出其中一些典型的研究結(jié)果。2008年，華東師范大學(xué)曾和平教授研究組通過1561 nm皮秒脈沖激光泵浦體塊PPLN晶體用于實(shí)現(xiàn)1.06 μm光信號(hào)到632.5 nm的頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)，僅通過棱鏡濾波和短通濾波器，在接近100%量子轉(zhuǎn)換效率下暗計(jì)數(shù)率僅為約150/s。2011年，J. S. Pelc等人研究了長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦下1550 nm上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的性能表現(xiàn)，利用PPLN波導(dǎo)在86%的內(nèi)部量子效率下，噪聲光子計(jì)數(shù)率為1000/s，在該工作中證明了噪聲光子起源于泵浦激光的拉曼散射噪聲，研究了不同泵浦波長(zhǎng)和溫度下的噪聲光子特征，得出利用長(zhǎng)波泵浦可以極大地壓低頻率遷移探測(cè)中的量子噪聲。2013年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局 P.S. Kuo等人研究了使用不同的濾波器對(duì)于頻譜遷移探測(cè)中量子噪聲的影響，對(duì)比了棱鏡對(duì)濾波、透射式全息光柵濾波和高效率窄線寬體布拉格光柵濾波下的噪聲大小，利用極窄的頻譜濾波可以有效地壓低噪聲，最后在70%內(nèi)部波導(dǎo)轉(zhuǎn)換效率下，噪聲計(jì)數(shù)為600/s。結(jié)合長(zhǎng)波泵浦和極窄濾波器，2013年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張強(qiáng)教授研究組在28.6%的系統(tǒng)探測(cè)效率下，暗計(jì)數(shù)率僅為100/s。除了近紅外波段的量子噪聲研究，在中紅外波段也開展了相應(yīng)的研究。2018年，丹麥科技大學(xué)A. Barh等人研究了寬譜中紅外上轉(zhuǎn)換過程中熱噪聲對(duì)探測(cè)靈敏度的影響，構(gòu)建了詳細(xì)的熱輻射模型，并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，評(píng)估了不同晶體溫度下的熱輻射轉(zhuǎn)換噪聲大小。

頻率帶寬

對(duì)于部分應(yīng)用場(chǎng)景，如雷達(dá)探測(cè)、定頻光信號(hào)探測(cè)對(duì)于頻率帶寬無特別要求，反而較窄點(diǎn)的頻率帶寬有助于信噪比的提升。然而，對(duì)于大范圍的光譜分析探測(cè)以及寬譜信號(hào)的檢測(cè)，對(duì)于接收帶寬是有要求的，大的接收帶寬可以極大地提升頻譜遷移探測(cè)器的工作波長(zhǎng)范圍以及探測(cè)寬譜信號(hào)的響應(yīng)靈敏度。頻率帶寬的拓展主要依賴于相位匹配函數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)于準(zhǔn)相位匹配晶體，通常采用的手段主要有溫度梯度法、啁啾極化和非共線準(zhǔn)相位匹配方法。其中一些典型的研究進(jìn)展包括：2008年，通過啁啾極化和絕熱近似演化，在近紅外通信波段實(shí)現(xiàn)了超過140 nm接收帶寬的頻譜遷移（如圖5（a）所示）；2017年，A. Barh等人通過PPLN晶體中非共線相位匹配，在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了超過1200 nm的頻譜遷移探測(cè)。另外，對(duì)于角度匹配晶體，可以通過角度調(diào)諧或者多塊不同切割角晶體疊加的方式拓展頻率轉(zhuǎn)換帶寬（如圖5（b）所示）；M. Mrejen等人實(shí)現(xiàn)了寬譜多種顏色的中紅外圖像的頻譜遷移成像。

圖5 不同方式實(shí)現(xiàn)大接收帶寬頻譜遷移。（a）啁啾極化晶體；（b）多個(gè)不同切割角的晶體膠合在一起

空間帶寬

對(duì)于結(jié)構(gòu)光場(chǎng)或者圖像的頻譜遷移探測(cè)需要使用體塊晶體。空間帶寬主要受限于晶體橫截面的尺寸和相位匹配函數(shù)。在晶體尺寸確定的情況下，增加空間帶寬的主要手段是調(diào)控相位匹配函數(shù)。增加相位匹配函數(shù)對(duì)于入射角大小的容忍度即可增加空間帶寬，與增加頻率帶寬相似，主要方法也包括溫度梯度法、寬譜泵浦方法、啁啾極化和非共線準(zhǔn)相位匹配。主要進(jìn)展包括：2018年，R. Demur等人通過寬譜泵浦，相對(duì)于窄帶單頻泵浦，視場(chǎng)角提升了3倍多，有效像素點(diǎn)增加了10倍；2022年，基于啁啾極化的方式，曾和平教授研究組在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了約30°的頻譜遷移成像視場(chǎng)角（如圖6所示）。

圖6 基于啁啾極化晶體實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)頻譜遷移成像原理

頻譜遷移探測(cè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景

頻譜遷移探測(cè)對(duì)現(xiàn)有的直接探測(cè)是一種有效的補(bǔ)充手段，與此同時(shí)，在部分應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)現(xiàn)有的直接探測(cè)器還能表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。頻譜遷移探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，下文分別從頻譜遷移在量子信息技術(shù)和在經(jīng)典光學(xué)測(cè)量（如成像和光譜方面）的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

頻譜遷移探測(cè)在量子信息技術(shù)中的應(yīng)用

頻譜遷移探測(cè)在量子信息中的應(yīng)用主要分為兩個(gè)方面：一方面頻譜遷移可以作為紅外單光子探測(cè)手段，早期主要用于解決近紅外波段尤其是通信波段缺乏高性能探測(cè)的問題，隨著超導(dǎo)探測(cè)器和銦鎵砷制冷探測(cè)器的性能水平提高，目前在通信波段頻譜遷移單光子點(diǎn)探測(cè)器的應(yīng)用需求迫切程度在大幅度下降。但是在更長(zhǎng)的中紅外波段，目前還缺乏有效的單光子探測(cè)器，頻譜遷移單光子探測(cè)是現(xiàn)階段的一種有效手段。丹麥科技大學(xué)研究組通過頻譜遷單光子探測(cè)實(shí)現(xiàn)了一對(duì)中紅外光子的符合測(cè)量。另一方面，用于量子信息技術(shù)研究的不同物理系統(tǒng)往往工作在不同的波長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)量子態(tài)在不同物理體系間的傳遞和耦合需要彌補(bǔ)不同物理體系工作波長(zhǎng)的差距，頻譜遷移具備改變量子態(tài)的波長(zhǎng)而不改變所加載的量子態(tài)信息的特點(diǎn)，因此可以用于不同工作波長(zhǎng)物理體系的量子態(tài)波長(zhǎng)接口。在量子頻率接口方面，目前已實(shí)現(xiàn)了單光子量子比特、時(shí)間能量、偏振和軌道角動(dòng)量糾纏態(tài)的量子波長(zhǎng)接口。最近，德國(guó)H. Weinfurter組基于冷原子體系產(chǎn)生的光子結(jié)合高效率量子波長(zhǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的量子糾纏交換（如圖7所示）。

圖7 利用頻譜遷移建立原子體系與通信波段信道之間的量子頻率接口

頻譜遷移探測(cè)在經(jīng)典光學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

頻譜遷移探測(cè)在經(jīng)典光學(xué)的應(yīng)用主要包括成像、光譜分析、激光雷達(dá)和通信等領(lǐng)域。在成像方面的典型應(yīng)用包括：通過頻譜遷移實(shí)現(xiàn)了蠟燭火焰中紅外成分探測(cè)、大視場(chǎng)和高幀頻低噪聲的中紅外成像、邊緣增強(qiáng)成像（如圖8所示）以及高幀頻生物組織成像等。在光譜分析領(lǐng)域，可以通過頻譜遷移探測(cè)實(shí)現(xiàn)中紅外光譜儀，并且用于塑料和氣體泄露分析。此外，通過頻譜遷移探測(cè)還可以用于中紅外激光雷達(dá)以及高速中紅外光通信，促進(jìn)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)的提升。

圖8 基于渦旋光泵浦在頻譜遷移成像過程中實(shí)現(xiàn)圖像邊緣增強(qiáng)

討論與展望

盡管頻譜遷移探測(cè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展在指標(biāo)參數(shù)上取得了重要的進(jìn)步，但是由于該系統(tǒng)中的部分指標(biāo)參數(shù)間是相互制約的，比如噪聲、頻率帶寬、空間帶寬和轉(zhuǎn)換效率之間，在具體的應(yīng)用中需要平衡各參數(shù)之間的關(guān)系。在近紅外波段1.0~2.5 μm的頻譜遷移點(diǎn)探測(cè)器性能相對(duì)成熟，指標(biāo)可以達(dá)到較高的水平，中紅外波段的參數(shù)性能還有待于進(jìn)一步挖掘和提升。在頻譜遷移面陣探測(cè)方面，目前還未實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)的成像探測(cè)演示，在激光主動(dòng)照明探測(cè)上研究的較多，對(duì)于非相干光場(chǎng)，尤其是寬譜黑體輻射光場(chǎng)的探測(cè)方面還有諸多問題需要進(jìn)一步解決。此外，針對(duì)頻譜遷移探測(cè)系統(tǒng)的成像分辨率研究，雖然有初步工作，但是對(duì)于該系統(tǒng)成像分辨率的主要限制因素和可改善的方法方面目前還是空白，值得進(jìn)一步挖掘?？傊陬l譜遷移探測(cè)方面還有一些值得挖掘和期待的研究可以開展，下面給出幾個(gè)在未來值得探索的研究方向：（1）基于頻譜遷移單光子探測(cè)可以用中紅外波段的量子光學(xué)和量子光譜的研究，該方面目前還處于待探索的領(lǐng)域；（2）將頻譜遷移與干涉儀技術(shù)相結(jié)合可以發(fā)展出一些新的光學(xué)測(cè)量方法，比如非接觸光子探測(cè)和光學(xué)相位放大；（3）在頻譜遷移的技術(shù)進(jìn)一步成熟和小型化后，可以將大部分的光譜遷移到硅探測(cè)器的波段探測(cè)，這樣可以有效地降低部分光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)復(fù)雜度，對(duì)于工程技術(shù)應(yīng)用具有重要的潛在價(jià)值。

這項(xiàng)研究獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3607700、2022YFB3900027）、國(guó)家自然科學(xué)（11934013、92065101）、科技部科技創(chuàng)新2030-量子科學(xué)與科技項(xiàng)目（2021ZD0301100）和中國(guó)空間碎片研究項(xiàng)目（KJSP2020020202）的資助和支持。

編輯：黃飛

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