撰稿人：周志远
论文题目：基于频谱迁移的红外探测研究进展（特邀）
作者：周志远，史保森
完成单位：中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室
传统的红外探测主要基于铟镓砷、锑镉汞等半导体光子型探测器，然而这类探测器在常温下具有灵敏度低和噪声较大的缺点，高灵敏探测还需要深制冷，相对于成熟的硅探测器性能差距非常大。因此，将不易探测的红外波段转迁移硅探测器的工作波段，并且利用高性能的硅基探测器进行有效探测是一种可行的路径。基于这种思想目前发展了一种有效的频谱迁移探测方法，即通过非线性和频上转换过程，将红外光子的频谱迁移到硅探测器的探测波段从而实现高效的探测。本文将系统介绍基于频谱迁移红外探测的基本原理、主要参数和最新的研究进展，最后对潜在的研究趋势和应用前景进行展望。
红外波段包括近红外（0.7μm~2.5μm）、中红外（2.5μm~25μm）和远红外（25μm~300μm）, 这些光谱与构成物质的分子和原子的本征光谱紧密关联，其中近红外、中红外和远红外光谱主要由电子跃迁、振动能级跃迁和转动能级跃迁产生。中红外光谱探测技术具有如此广泛应用的原因体现在以下三个方面：
（1）中红外可以覆盖几乎所有气体分子的吸收带，这些吸收带是由分子的振动能级决定的。通过测量振动能谱，可以有效地鉴别食物或者肌肉中的复合分子；
（2）中红外可以有效地与气体分子相互作用，通过气体光谱可以检测温室气体如CO2、CH4、NOX、SOX。与此同时，该波段覆盖了多个低损耗大气窗口，也可以用于自由空间光通信；
（3）室温物体可以辐射中红外光场，为物体探测提供了一种有效的热成像手段。
发展红外探测技术的传统途径是研制新的高性能红外响应材料。尽管这方面的研究取得了很大进步，但短期内仍然摆脱不了上述缺点。近年来一种基于非线性和频上转换过程的间接探测方法受到广泛的关注：既然直接红外探测存在难以逾越的障碍，而硅探测器性能优越，我们可以通过非线性频率转换技术将红外光波长迁移到硅探测器的探测波段，利用高性能的硅探测器实现红外信号的检测，从而避免了直接红外探测器的诸多缺点—这就是近年来逐步受人关注的频谱迁移上转换探测技术。该探测技术具有快速、室温下可工作、高灵敏的优点，因而已成为解决红外探测瓶颈的一种重要潜在手段。
本文系统介绍基于非线性过程红外探测的基本原理、主要参数和最新的研究进展，最后对潜在的应用和研究趋势进行展望。频谱迁移的探测基本原理如图1所示。通过高效率相干的光场非线性过程，将不易探测的红外光场转换到近红外波段并且用高性能的硅探测器即可在常温下实现高灵敏的红外光场探测。
频谱迁移探测的主要参数包括量子效率、量子噪声、频率接收带宽和空间接收带宽。量子效率主要依赖于晶体材料的非线性系数、长度、聚焦因子和泵浦功率等。提升量子效率的主要方法是通过外腔增强、使用高功率脉冲泵浦、利用非线性波导结构，在波导结构中，通过纳米铌酸锂波导可以进一步的降低泵浦功率和提高器件的集成度。
频率转换过程中的主要噪声因素包括环境噪声和由泵浦光引起的自发拉曼噪声、自发参量噪声、泵浦光倍频后产生的自发辐射噪声，噪声和三束光的关系如图3所示。泵浦光引起的噪声取决于晶体材料本身的特性和晶体的工作温度，噪声的强度大小可以通过单色仪和单光子探测器精确的测定。一般倾向于利用波长更长的光当做泵浦光，如图3(b)所示，这样由泵浦光产生的较强的拉曼散射噪声和自发参量噪声波长更长，所以这些噪声不会与信号光处于同一波段。另外，对于较窄的信号光带宽的条件下，选取极窄的滤波器件可以大幅度的压低噪声。
图3. 短波和长波泵浦下的噪声分布情况(a)短波长泵浦情况；(b)长波长泵浦情况
频率接收带宽和空间接收带宽主要取决于相位匹配函数对频率的依赖关系以及对空间入射角的依赖关系。通过调节相位匹配函数的形式，可以设计出满足要求的频率和空间带宽。一般用于拓展频率和空间带宽的方法包括：宽谱泵浦方法、温度梯度法、啁啾极化和非共线准相位匹配方法。
图4. 不同方式实现大接收带宽频谱迁移。(a) 啁啾极化晶体；（b）多个不同切割角的晶体胶合在一起
频谱迁移探测对现有的直接探测是一种有效的补充手段，与此同时在部分应用场景相对现有的直接探测器还能表现出一定的优势。频谱迁移探测的应用场景非常广泛，下面分别从频谱迁移在量子信息技术和在经典光学测量如成像和光谱方面的应用进行介绍。频谱迁移探测在量子信息中的应用主要分为两个方面：一方面频谱迁移可以作为红外单光子探测手段，早期主要用于解决通信波段缺乏高性能探测的问题，随着超导探测器的成熟，该技术目前主要用于解决中红外波段缺乏单光子探测器的问题。另一个量子信息技术的应用为量子频率接口，用于实现工作在不同的波长下的物理体系间的量子态的传递和耦合。
频谱迁移探测在经典光学的应用主要包括：成像、光谱分析、激光雷达和通信等领域。在成像方面的典型应用包括：通过频谱迁移实现了蜡烛火焰中红外成分探测、大视场和高帧频低噪声的中红外成像、边缘增强成像（如图（5）所示）以及高帧频生物组织成像等。在光谱分析领域，可以通过频谱迁移探测实现中红外光谱仪，并且用于塑料和气体泄露分析。此外，通过频谱迁移探测还可以用于中红外激光雷达以及高速中红外光通信，促进关键指标参数的提升。
图5. 基于涡旋光泵浦在频谱迁移成像过程中实现图像边缘增强
频谱迁移探测经过几十年的发展在指标参数上取得了重要的进步，在近红外波段1.0μm~2.5μm波段的频谱迁移点探测器性能相对成熟，指标可以达到较高的水平，中红外波段的参数性能还有待于进一步挖掘和提升。在频谱迁移面阵探测方面，目前还未实现单光子级的成像探测演示，在激光主动照明探测上研究的较多，对于非相干光场，尤其是宽谱黑体辐射光场的探测方面还有诸多的问题需要进一步解决。此外，针对频谱迁移探测系统的成像分辨率研究，虽然有初步工作，但是对于该系统成像分辨率的主要限制因素和可改善的方法方面目前还是空白，值得进一步挖掘。总之，在频谱迁移探测方面还有一些值得挖掘和期待的研究可以开展，下面给出几个在未来值得探索的研究方向：
（1）基于频谱迁移单光子探测可以用中红外波段的量子光学和量子光谱的研究，该方面目前还处于待探索的领域；
（2）将频谱迁移与干涉仪技术相结合可以发展出一些新的光学测量方法，比如非接触光子探测和光学相位放大。
周志远，博士，中国科学技术大学物理学院副教授。长期从事量子非线性光学研究。主要研究成果包括：1 ) 在频谱迁移探测方面，开创性的实现轨道角动量单光子和纠缠的量子频率上转换，并且验证轨道角动量的单光子特性和纠缠特性可以很好的保持; 基于涡旋泵浦在上转换过程中实现了图像的边缘和视场增强效应。目前主要聚焦于中红外波段的频谱迁移探测相关的研究；2）在量子态的制备与调控方面，基于非线性晶体和SOI波导结构制备多种类型的高质量量子纠缠光源，这些光源被用于量子力学基础研究、量子模拟、量子成像和量子测量等领域，并取得了一系列研究成果。已在Physics review letters、light：science& Applications、Nature Communications、Science Advances、等国内外重要期刊发表学术论文70多篇。作为负责人承担基金委青年项目和重大研究计划培育项目各一项，作为核心骨干参与科技部重点研发计划数项。部分研究成果分别于2019年获中国光学协会光学科技一等奖，2020年分别获得安徽省自然科学一等奖。
周志远, 史保森. 基于频谱迁移的红外探测研究进展（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20230165. doi: 10.3788/IRLA20230165
全文链接：http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230165（阅读原文）
