利用絕熱轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行上轉(zhuǎn)換成像的設(shè)計(jì)思路

人眼能捕捉到波長(zhǎng)在400納米到700納米之間的光子——在藍(lán)光和紅光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之間，因此這個(gè)波段的光被定義為“可見(jiàn)光”。但這只是電磁波譜的一小部分，400納米以下還有紫外線，700納米以上有紅外輻射，紅外輻射又分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外……在電磁波譜的每一個(gè)部分中，都有大量編碼為“顏色”的信息，直到現(xiàn)在都還隱藏在暗處，等待人們?nèi)グl(fā)掘。

圖源：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所，Light學(xué)術(shù)出版中心，新媒體工作組 光譜中的“顏色”是非常重要的信息，很多分子都有其特征“顏色”（如分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等）。例如，癌癥細(xì)胞含有高濃度的具有特定“顏色”的分子，這些分子在紅外區(qū)很容易被檢測(cè)到，因此醫(yī)學(xué)上可以通過(guò)紅外相機(jī)對(duì)癌癥進(jìn)行診斷。但是目前的紅外探測(cè)技術(shù)成本高昂，且成像效果有待提高。 最近，以色列特拉維夫大學(xué)的Haim Suchowski團(tuán)隊(duì)【拓展鏈接】開(kāi)發(fā)了一種低成本、高效率的成像技術(shù), 這項(xiàng)技術(shù)可以將整個(gè)中紅外區(qū)域的光子轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)區(qū)域，進(jìn)而可用于自然界中存在的、普通照相機(jī)或肉眼“看不見(jiàn)”的生物成像。

圖1 本文所述技術(shù)使得普通相機(jī)能夠“看到”不可見(jiàn)的物體圖源：Tel Aviv University 相關(guān)研究成果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews，標(biāo)題為“Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion”。 Suchowski教授表示：“如果人類(lèi)能看到紅外光，我們將會(huì)看到像氫、碳和鈉等元素都有自己獨(dú)特的顏色。因此，通過(guò)對(duì)紅外光的探測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星可以“看到”工廠排放的污染物，間諜衛(wèi)星可以“看到”爆炸物或鈾的存放之處；此外，由于每個(gè)物體都以紅外線發(fā)出熱量，因此這些信息即使在黑暗中也能被看到?！? 由于大部分有機(jī)化合物的特征振動(dòng)峰都位于紅外(IR)波段，因此，光譜分辨的紅外成像是遠(yuǎn)程化學(xué)鑒定中當(dāng)之無(wú)愧的核心技術(shù)，在化學(xué)、生物、礦物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域均有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。 通過(guò)非線性晶體將紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，再借助廉價(jià)、高性能硅檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)非線性上轉(zhuǎn)換成像。相比于廣泛使用但造價(jià)高昂、響應(yīng)速度慢、空間分辨率低、靈敏度差且需要額外制冷的熱傳感成像技術(shù)而言，這種上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而，非線性光學(xué)的相位匹配問(wèn)題嚴(yán)重限制了上轉(zhuǎn)換技術(shù)的頻譜帶寬，往往需要復(fù)雜的串行采集才能覆蓋較寬的頻譜。 本文提出了一種基于絕熱頻率轉(zhuǎn)換的中紅外上轉(zhuǎn)換成像方案，采用低成本、高靈敏度的可見(jiàn)CMOS傳感器實(shí)現(xiàn)了中紅外多色成像，輻射波段范圍從2微米到4微米，全程無(wú)需調(diào)整轉(zhuǎn)換晶體的相位匹配條件。

圖2多光譜物體中紅外成像 (a)目前應(yīng)用最廣泛的熱成像，所得到的圖像是在光譜帶寬上集成的，因此缺乏顏色區(qū)分； (b)基于絕熱頻率轉(zhuǎn)換的上轉(zhuǎn)換成像，可同時(shí)對(duì)多個(gè)紅外波長(zhǎng)成像，且成本低、靈敏度高、速度快。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.1

絕熱頻率轉(zhuǎn)換成像

本工作中，研究人員設(shè)計(jì)了絕熱和頻轉(zhuǎn)換晶體(ASFG)，可以消除激發(fā)光（1030 nm）與中紅外信號(hào)（2~4微米）之間的相位不匹配。將此晶體用于如圖3所示的成像系統(tǒng)中，即可將2~4微米的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到690~820納米之間，實(shí)現(xiàn)超寬譜帶范圍的上轉(zhuǎn)換成像。整個(gè)裝置采用波長(zhǎng)為1030 nm，重復(fù)速率為2MHz的超快脈沖激光作為激發(fā)源，通過(guò)可調(diào)諧光參量發(fā)生器激發(fā)紅外發(fā)光以及絕熱和頻轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖3. (a)基于絕熱和頻轉(zhuǎn)換(ASFG)的上轉(zhuǎn)換成像裝置示意圖； (b)上轉(zhuǎn)換成像結(jié)果展示： 從左到右原始發(fā)光波長(zhǎng)分別為2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm， 上轉(zhuǎn)換后波長(zhǎng)在700 nm, 790 nm和810 nm。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.2

超快時(shí)間成像能力

為了展示上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)的超快時(shí)間成像能力，作者將2微米和4微米兩個(gè)波長(zhǎng)的紅外光信號(hào)分別通過(guò)5毫米厚的硅窗口；由于色散作用，兩個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)會(huì)發(fā)生時(shí)間上的分離，進(jìn)而可以用短脈沖1030 nm泵浦激光(~800 fs)進(jìn)行時(shí)間區(qū)分（如圖4所示）。

圖4上轉(zhuǎn)換成像的時(shí)間分辨能力展示： 縱軸表示時(shí)間，橫軸表示轉(zhuǎn)換后的波長(zhǎng)； 可見(jiàn)此技術(shù)具有超快的時(shí)間區(qū)分能力。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.3

高分辨率

最后，研究人員借助1951 USAF標(biāo)準(zhǔn)卡片說(shuō)明了上述成像系統(tǒng)的高分辨率。如圖5所示，該系統(tǒng)在2微米波長(zhǎng)處的分辨率可達(dá)28.51 (line pairs/mm)，符合理論可實(shí)現(xiàn)的分辨率。相比之下，4微米處的分辨率差一些，主要是由于受到ASFG晶體接受孔徑的限制。

圖5絕熱上轉(zhuǎn)換相機(jī)在2微米，3微米，4微米波長(zhǎng)處的分辨率測(cè)試， 從上到下三行分別對(duì)應(yīng)1951 USAF標(biāo)準(zhǔn)卡片中的不同分辨率。圖源：Nature, 2020, 585, 211–216，F(xiàn)ig.4

總結(jié)

本文提出了利用絕熱轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行上轉(zhuǎn)換成像的設(shè)計(jì)思路，能夠在單次拍攝過(guò)程中將2~4微米波段的中紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光-近紅外圖像。 由于絕熱方法固有的寬頻帶和高效率等特點(diǎn)，該技術(shù)比目前廣泛使用的具有相位匹配局限的非線性上轉(zhuǎn)換成像方法性能更好，為未來(lái)新型材料的高分辨、超快速中紅外遙感和時(shí)空間表征鋪平了道路。

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