趙令偉，劉 磊，華衛(wèi)紅*

(1.中國人民解放軍78156部隊(duì)，寧夏 中衛(wèi) 755100；2.國防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院 高能激光技術(shù)研究所，湖南 長沙 410073)

0 引言

基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像技術(shù)是利用激光與物質(zhì)相互作用實(shí)現(xiàn)頻率變換的方法，將低頻紅外圖像等信息轉(zhuǎn)換到近紅外或者可見光波段，再通過高性能的近紅外或可見光相機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換信息進(jìn)行探測，可以間接實(shí)現(xiàn)低頻紅外圖像信息的探測。相比于傳統(tǒng)的高成本紅外成像相機(jī)，基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像技術(shù)具有高速響應(yīng)且無需冷卻、固有噪聲低等特點(diǎn)，具有很好的研究前景。

1968年，Midwinter J E在鈮酸鋰晶體中首次利用光參量頻率上轉(zhuǎn)換的方法，將紅外輻射的信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像[1-2]，實(shí)現(xiàn)了非線性光學(xué)在圖像信息領(lǐng)域應(yīng)用的突破性進(jìn)展，而后人們在非線性頻率上轉(zhuǎn)換領(lǐng)域開展了大量的科學(xué)研究[3-7]。2012年，丹麥技術(shù)大學(xué)的Dam J S等人在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了中紅外光譜的頻率上轉(zhuǎn)換成像[8-10]，他們將蠟燭發(fā)出的光作為中紅外信號(hào)光源，并通過1 064 nm光源進(jìn)行泵浦，在摻雜MgO(5 mol%)的PPLN晶體內(nèi)進(jìn)行非線性頻率上轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)非線性晶體的工作溫度和極化周期進(jìn)行調(diào)諧(實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可調(diào)諧波長范圍是2.85～5 μm)，探測到2.9，3.4，4.2 μm波長處的成像信息(分別對(duì)應(yīng)的是H2O，C-H化合物和CO2的強(qiáng)發(fā)射譜)，探測過程中的背景噪聲相對(duì)比較低，在3 μm光譜范圍系統(tǒng)的背景噪聲僅為0.2 光子/空間元素/秒。2017年，Nan Huang等人[11]利用窗口波長在2.9～3.5 μm的可調(diào)熱燈泡發(fā)射中紅外非相干光，在最低輸入功率為31 fW時(shí)，室溫條件下與1 064 nm泵浦光在非線性晶體內(nèi)進(jìn)行和頻，并利用分辨率為120×70，波長在785 nm范圍的EM CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)了非相干連續(xù)光的頻率上轉(zhuǎn)換成像，室溫下的背景噪聲為0.57光子/空間元素/秒，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，頻率上轉(zhuǎn)換量子效率達(dá)到28%。目前，國內(nèi)外研究工作者在頻率上轉(zhuǎn)換成像方面的研究逐漸增多[12-16]，但是整體成像轉(zhuǎn)換效率并不高，在非線性頻率上轉(zhuǎn)換成像過程中，高頻泵浦光在一定程度上決定了紅外圖像的轉(zhuǎn)換效率與成像質(zhì)量。本文主要通過研究紅外信號(hào)光在脈沖光泵浦和連續(xù)光泵浦2種條件下的頻率上轉(zhuǎn)換效率和成像質(zhì)量，分析不同泵浦功率條件下的背景噪聲等參數(shù)，探索提高頻率上轉(zhuǎn)換效率和成像質(zhì)量的優(yōu)化方案，推動(dòng)頻率上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)走向?qū)嵱谩?/p>

1 基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像技術(shù)理論分析

基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像技術(shù)，利用非線性光學(xué)中頻率變換的方法，將低頻紅外光與高頻泵浦光入射到非線性介質(zhì)中發(fā)生相互作用，使其攜帶的圖像信息轉(zhuǎn)化到近紅外波段或可見光范圍，再通過市場上成本較低的高性能近紅外或可見光探測器進(jìn)行探測，間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外波段攜帶圖像信息的精確測量，提高了紅外輻射的探測效率，避開了制備高性能紅外探測器的難點(diǎn)問題，突破了紅外輻射探測波段的響應(yīng)瓶頸。頻率上轉(zhuǎn)換示意如圖1所示。在非線性和頻晶體中，較弱的紅外低頻光(ω1)與高頻泵浦光(ω2)發(fā)生相互作用，形成了較高頻率的近紅外或者可見光(ω3)。

非線性頻率上轉(zhuǎn)換過程主要是利用二階非線性光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行三波混頻耦合，在小信號(hào)近似條件下，可以得到頻率上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率：

(1)

量子轉(zhuǎn)換效率ηq為：

(2)

2 非線性頻率上轉(zhuǎn)換效率數(shù)值模擬

圖2 頻率上轉(zhuǎn)換效率隨泵浦光束腰值大小的變化Fig.2 The change of frequency up conversion efficiency with the beam waist value of pumping light

頻率上轉(zhuǎn)換效率在不同束腰情況下與非線性晶體長度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)泵浦光的束腰值一定時(shí)，頻率上轉(zhuǎn)換效率隨著非線性晶體長度的增加而提高，但是當(dāng)晶體長度增加到一定值的時(shí)候，和頻效率會(huì)存在飽和的情況，這是由于非線性晶體的長度達(dá)到一定值(超過了高斯光束的瑞利長度)時(shí)，繼續(xù)增加非線性晶體的長度，不會(huì)增加信號(hào)光與泵浦光在非線性晶體內(nèi)的有效作用長度，對(duì)和頻效率的影響就會(huì)很小。隨著泵浦光的束腰值變大，和頻效率達(dá)到飽和情況下的非線性晶體長度也隨之變長，主要原因是泵浦光的束腰值越大，光束的瑞利長度越長，信號(hào)光與泵浦光的有效作用長度可以進(jìn)一步增加。

圖3 頻率上轉(zhuǎn)換效率在不同束腰情況下與非線性晶體長度的關(guān)系Fig.3 The relationship between the frequency up conversion efficiency and the nonlinear crystal length under different beam waist conditions

在3 420 nm信號(hào)光輸入功率為2 W條件下，1 064 nm泵浦光輸入功率發(fā)生變化時(shí)，頻率上轉(zhuǎn)換效率與基頻光功率配比(P泵浦光/P信號(hào)光)關(guān)系的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 頻率上轉(zhuǎn)換效率隨基頻光功率配比的變化Fig.4 The change of frequency up conversion efficiency with the ratio of fundamental frequency optical power

由圖4可以看出，頻率上轉(zhuǎn)換效率隨著基頻光功率配比的增加而提高，但是當(dāng)基頻光功率配比增加到一定值時(shí)，頻率上轉(zhuǎn)換效率接近飽和狀態(tài)，繼續(xù)增加1 064 nm泵浦光功率的效果不明顯。

3 基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 基于脈沖光泵浦的中紅外上轉(zhuǎn)換成像實(shí)驗(yàn)研究

紅外圖像的轉(zhuǎn)換效率和圖像分辨率指標(biāo)的優(yōu)化是非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)走向?qū)嵱没暮诵年P(guān)鍵問題[20-21]，其中攜帶圖像信息的中紅外激光強(qiáng)度、泵浦光的功率密度以及非線性晶體材料特性對(duì)信號(hào)光的頻譜帶寬和入射角的限制，都直接影響紅外成像的轉(zhuǎn)換效果。

3.1.1 中紅外上轉(zhuǎn)換探測

馬啟智：根據(jù)2011年國家的公告，我國全年用水總量為6 080億m3，農(nóng)業(yè)用水是3 790億m3，農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量的62.4%。根據(jù)生產(chǎn)2.4斤（1.2 kg）糧食需要耗水1 m3，也就是1t的計(jì)算公式，農(nóng)業(yè)用水3 790億m3也就大體生產(chǎn)糧食9000多億到1萬億斤（4500億～5000億kg）這樣的水平。我的問題是，在我國，特別是北方干旱缺水地區(qū)，隨著城市的不斷擴(kuò)張和工業(yè)的發(fā)展，城市和工業(yè)用水與農(nóng)業(yè)用水的矛盾越來越尖銳。在這種情形下，為了鞏固農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)地位，保障我國的糧食安全，我想請(qǐng)問水利部的領(lǐng)導(dǎo)，我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)用水資源越來越緊缺這一挑戰(zhàn)？謝謝。

在對(duì)中紅外信號(hào)光進(jìn)行成像之前，首先實(shí)現(xiàn)了中紅外光的和頻上轉(zhuǎn)換探測。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental devices

實(shí)驗(yàn)采用的是微腔結(jié)構(gòu)的主動(dòng)調(diào)Q二極管Nd：YAG 1 064 nm激光器(型號(hào)：STANDA-Q1，重復(fù)頻率為1 kHz，脈寬是823 ps)，另一路輸入信號(hào)光源采用的是可調(diào)諧中紅外光，波長可調(diào)諧范圍為3 000～3 800 nm。M為平面反射鏡(R≈97%@1 064 nm)，L為耦合鏡(HR>99.5%@1 064 nm，HT>90%@3 000～4 000 nm)，透鏡F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3焦距分別為100，200，100 mm，增益介質(zhì)為摻雜5 mol%MgO的PPLN多周期晶體，極化周期分別為22.6，22.67，22.74 μm，長20 mm，寬7.1 mm，厚2 mm。實(shí)驗(yàn)中選用的極化周期是22.67 μm，晶體的兩端面均鍍有對(duì)泵浦光1 064 nm(R﹤0.5%)、中紅外信號(hào)光(R﹤1%)與和頻光(R﹤0.5%)的增透膜，采用透射型光柵(GT25-03，Thorlabs)對(duì)輸出光進(jìn)行衍射分離，并測量分析+1級(jí)和頻輸出光。

測得非線性頻率上轉(zhuǎn)換效率僅為3.8×10-6，低于理論模擬值，這與2路輸入光譜的束腰值大小、共線度和泵浦光的占空比大小有直接關(guān)系。特別是1 064 nm脈沖光源作為泵浦光，它的占空比僅為8.23×10-7，在單脈沖周期內(nèi)才能夠與中紅外光進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換作用，非脈沖周期內(nèi)的中紅外光不發(fā)生任何相互作用，因此它的整體能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)比較低。

3.1.2 中紅外上轉(zhuǎn)換成像

探測到中紅外頻率上轉(zhuǎn)換和頻光后，為了更好地進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，更換4F成像系統(tǒng)中透鏡F2的焦距為300 mm，增大泵浦光的束腰直徑，用以提高中紅外信號(hào)光與泵浦光的相互作用空間，增強(qiáng)邊緣成像效果，在此基礎(chǔ)上還更換了透鏡F3的焦距為200 mm，對(duì)上轉(zhuǎn)換圖像進(jìn)行放大便于觀察。

中紅外輸入圖像信息如圖6所示。通過頻率上轉(zhuǎn)換后的和頻光攜帶了中紅外圖像的全部信息，就可以通過高性能的CCD相機(jī)對(duì)上轉(zhuǎn)換和頻光進(jìn)行快速成像，達(dá)到間接探測中紅外圖像信息的目的。使用的CCD相機(jī)是Photonfocus生產(chǎn)的MV1-D1312I-C031-160-CL型號(hào)工業(yè)相機(jī)接收成像信息。

圖6 輸入圖像信息Fig.6 Input image information

CCD成像信息如圖7所示。在中紅外圖像輸入功率為53 mW時(shí)，利用CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)了近紅外上轉(zhuǎn)換和頻光(811 nm)的快速成像，并間接測得了中紅外所照射物體的成像信息。

圖7 CCD成像信息Fig.7 CCD imaging information

通過物像信息對(duì)比可以看到，通過CCD相機(jī)所探測到的成像信息在圖像邊緣部分比較模糊和暗淡，這是由于頻率上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)的低通濾波作用，使成像信息中的部分高頻成分丟失，導(dǎo)致圖像信息的邊緣等突變部分比較模糊。圖像暗淡的另一個(gè)原因是實(shí)驗(yàn)中使用的是中紅外相干光源照射物體經(jīng)過頻率上轉(zhuǎn)換所成的像，相干光源相比非相干光來說它的成像信息會(huì)更加模糊一些[22-23]。

在CCD相機(jī)對(duì)中紅外信息成像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低中紅外光功率至1.2 mW，并利用EMCCD相機(jī)對(duì)微弱條件下的中紅外光進(jìn)行成像，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中選用法國First Light EMCCD相機(jī)，型號(hào)為OCAM2-OCAM2K。

圖8 EMCCD成像信息Fig.8 EMCCD imaging information

實(shí)驗(yàn)中通過USAF 1951分辨率板來探測中紅外光成像信息的空間特征，USAF 1951分辨率板成像信息如圖9所示。通過中紅外光照射分辨率板后與泵浦光進(jìn)行非線性頻率上轉(zhuǎn)換，得到了空間分辨率板的圖像信息，由于在4F成像系統(tǒng)中f3=2f1=200 mm，所以物體的成像信息放大了1倍，對(duì)照USAF 1951空間分辨率板參數(shù)，可以得到分辨率為2.52/2 lp/mm。

圖9 USAF 1951分辨率板成像信息Fig.9 USAF 1951 resolution plate imaging information

3.2 基于連續(xù)光泵浦的中紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)研究

在非線性頻率上轉(zhuǎn)換過程中，頻率上轉(zhuǎn)換效率主要取決于入射泵浦光的功率密度，泵浦光功率密度大轉(zhuǎn)換效率高，泵浦光功率密度小轉(zhuǎn)換效率低?？紤]到脈沖泵浦光源占空比較低、泵浦強(qiáng)度不夠的問題，為了提高非線性頻率上轉(zhuǎn)換和頻效率，利用連續(xù)光源泵浦中紅外信號(hào)光進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換成像研究。

實(shí)驗(yàn)裝置與圖5保持不變，其中泵浦光是連續(xù)的1 064 nm光源，透鏡F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的焦距分別為100，300，100 mm，非線性晶體采用HCP公司生產(chǎn)的多周期PPLN晶體(摻雜5 mol%MgO)，極化周期分別為20.6，20.9，21.2，21.5，21.8，22.1，22.4，22.7，23，23.3 μm，長25 mm，寬12.3 mm，厚1 mm，實(shí)驗(yàn)中選用的極化周期是22.7 μm，晶體的兩端面均鍍有對(duì)泵浦光1 064 nm(R﹤0.5%)、中紅外信號(hào)光(R﹤5%)與和頻光(R﹤0.5%)的增透膜。

3.2.1 上轉(zhuǎn)換和頻光的輸出特性

在晶體最佳工作溫度下，當(dāng)連續(xù)泵浦光功率為28.5 W，上轉(zhuǎn)換和頻光與中紅外輸入光的關(guān)系曲線如圖10所示。。

圖10 上轉(zhuǎn)換和頻光輸出功率與中紅外輸入光功率關(guān)系Fig.10 The relationship between up-conversion sum-frequency optical output power andmid-infrared input optical power

中紅外輸入功率2.52 W時(shí)，上轉(zhuǎn)換和頻光功率為51.68 mW，上轉(zhuǎn)換效率為2.05×10-2，相對(duì)于脈沖光泵浦條件下的頻率上轉(zhuǎn)換效率提高了5.47×103倍

3.2.2 中紅外信息成像

實(shí)驗(yàn)中輸入的基頻光是高斯光束，它的能量密度中間較高，周圍較低，當(dāng)泵浦光的束腰直徑與中紅外束腰直徑相差不多時(shí)，中紅外光斑的中間部分轉(zhuǎn)換效率較高，而周圍部分轉(zhuǎn)換效率較低，容易導(dǎo)致頻率上轉(zhuǎn)換過程中紅外圖像的成像模糊。初次嘗試對(duì)中紅外信息進(jìn)行成像時(shí)，出現(xiàn)了頻率上轉(zhuǎn)換成像模糊的情況。此時(shí)1 064 nm泵浦光的輸入功率為28 W，束腰直徑為0.28 mm，其輸入中紅外圖像信息如圖11所示。中紅外光輸入功率32 mW時(shí)的頻率上轉(zhuǎn)換成像信息如圖12所示。

圖11 中紅外輸入圖像信息Fig.11 Mid infrared input image information

圖12 CCD相機(jī)探測的頻率上轉(zhuǎn)換成像信息Fig.12 Frequency up-conversion imaging information detected by CCD camera

實(shí)驗(yàn)中采用的CCD成像相機(jī)是德國AVT公司生產(chǎn)的Goldeye G-033型號(hào)工業(yè)相機(jī)。為進(jìn)一步增強(qiáng)頻率上轉(zhuǎn)換光的成像質(zhì)量，在縮小中紅外束腰半徑的同時(shí)，增大泵浦光的束腰半徑。中紅外輸入功率72 mW時(shí)上轉(zhuǎn)換光譜成像信息如圖13所示，此時(shí)泵浦光的輸入功率為28 W，束腰直徑為0.5 mm。

圖13 束腰調(diào)整后的上轉(zhuǎn)換光成像信息Fig.13 Up-conversion imaging information after beam waist adjustment

由圖13可以看出，經(jīng)過調(diào)整泵浦光和中紅外光的束腰值，成像效果有了明顯改善，但是中紅外上轉(zhuǎn)換成像信息的分辨效果比圖6所示的脈沖泵浦成像信息差，既與CCD相機(jī)的分辨率有關(guān)，也是由于連續(xù)泵浦光相對(duì)脈沖泵浦光受到的背景噪聲影響更大。為進(jìn)一步提高成像信息的分辨率，可以在泵浦光束腰值滿足高質(zhì)量頻率上轉(zhuǎn)換成像要求的情況下，提高輸入功率來增大泵浦光的功率密度，在調(diào)整光束束腰值大小的同時(shí)也要充分考慮晶體長度對(duì)發(fā)散角的限制。

3.2.3 圖像分析

在頻率上轉(zhuǎn)換成像過程中，特別是在高功率泵浦情況下，相對(duì)于脈沖光泵浦來說，連續(xù)光泵浦受到背景噪聲的影響更大。當(dāng)中紅外信息圖像輸入功率為56 mW時(shí)，在不同1 064 nm連續(xù)光泵浦功率下的成像如圖14所示。

圖14 不同泵浦功率條件下的中紅外成像Fig.14 Mid-infrared imaging under different pumping power conditions

由圖14可以看出，隨著泵浦光功率的增大，上轉(zhuǎn)換和頻效率得到了提高，頻率上轉(zhuǎn)換成像更加清晰明亮，但同時(shí)也可以看到成像信息的邊緣相對(duì)于中心也更加模糊，除了與非線性頻率上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的低通濾波作用有關(guān)外，還與系統(tǒng)的背景噪聲有關(guān)。

不同泵浦功率下成像信息圖中行與列的灰度值如圖15所示。

圖15 不同泵浦功率下成像信息圖中行與列的灰度值Fig.15 Gray values of rows and columns in the imaging information graph under different pumpingpower conditions

由圖15可以看出，圖像信息的灰度值呈現(xiàn)出高斯分布，這是由于頻率上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入光是高斯光束，頻率上轉(zhuǎn)換形成的和頻光也將呈現(xiàn)高斯分布，與實(shí)驗(yàn)分析相符，隨著泵浦光功率的增加，上轉(zhuǎn)換和頻效率得到提高，和頻光的輸出功率密度增大，灰度值也得到相應(yīng)增加。

成像信息圖在不同點(diǎn)處的灰度值隨泵浦功率變化如圖16所示。

圖16 成像信息圖在不同點(diǎn)處的灰度值隨泵浦功率變化Fig.16 The gray value of the imaging information graph at different points changes with the pump power

由圖16可以看出，在頻率上轉(zhuǎn)換成像點(diǎn)(136，287)和(130，300)處的灰度值隨著泵浦光功率的增加而提高，呈現(xiàn)出較好的線性增長關(guān)系，而且靠近高斯光斑中心處的點(diǎn)(136，287)比遠(yuǎn)離高斯光斑中心的點(diǎn)(130，300)灰度值提高的快，導(dǎo)致在增加高斯泵浦光功率的情況下成像信息的邊緣比中心處的灰度值更低，邊緣成像相對(duì)模糊。在非頻率上轉(zhuǎn)換成像點(diǎn)(100，100)，(100，200)，(200，100)，(400，400)處的灰度值不為0，而且也隨著泵浦光功率的增加有所提高，只是相對(duì)于頻率上轉(zhuǎn)換成像點(diǎn)增長比較緩慢，充分說明頻率上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)存在著較大的背景噪聲，而且隨著泵浦光功率的增加，噪聲也會(huì)逐漸增大。

4 結(jié)束語

本文主要結(jié)合非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，利用實(shí)驗(yàn)室已有條件，對(duì)不同泵浦條件下的非線性頻率上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了脈沖光和連續(xù)光泵浦條件下的非線性頻率上轉(zhuǎn)換效率，分析討論了2種光泵浦條件下的紅外上轉(zhuǎn)換成像質(zhì)量，并在較低連續(xù)泵浦光輸入條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的背景噪聲進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步提高頻率上轉(zhuǎn)換效率與成像質(zhì)量提供了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下一步可以通過提高脈沖光源的重復(fù)頻率和功率密度，增加脈沖光源的占空比達(dá)到準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)，進(jìn)而可以提高非線性頻率上轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲下的紅外成像；其次是增加連續(xù)泵浦光源的輸出功率，在確保連續(xù)泵浦光功率密度滿足頻率上轉(zhuǎn)換的條件下，進(jìn)一步增加泵浦光源的束腰半徑，實(shí)現(xiàn)弱光條件下的高質(zhì)量紅外成像。