據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃坤研究員與曾和平教授團(tuán)隊(duì)在中紅外單光子測距方面取得進(jìn)展，研制了具有單光子靈敏度、高測距分辨率和大動(dòng)態(tài)范圍的中紅外上轉(zhuǎn)換激光測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用非線性異步光學(xué)采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高速率、大范圍的光學(xué)時(shí)間掃描，結(jié)合時(shí)間拉伸光子關(guān)聯(lián)探測方案，獲得了高靈敏、高分辨的單光子測距性能，為中遠(yuǎn)紅外單光子測距與成像提供了有效途徑。

該成果以“High-resolution mid-infrared single-photon upconversion ranging”為題發(fā)表在Photonics Research期刊。華東師范大學(xué)為論文的第一完成單位，研究生姜淑紅為論文第一作者，黃坤研究員與曾和平教授為共同通訊作者。

研究背景

單光子激光測距技術(shù)在遠(yuǎn)程遙感、衛(wèi)星跟蹤及微光偵測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。長期以來，該技術(shù)主要局限在可見或近紅外波段。中紅外波段涵蓋了大氣多個(gè)透射窗口，具有良好的抗散射能力，且位于眾多分子的指紋光譜區(qū)，在環(huán)境大氣光譜監(jiān)測方面具有重要應(yīng)用。鑒于此，將單光子測距技術(shù)拓展至中紅外波段已成為該領(lǐng)域的研究前沿。然而，現(xiàn)有中紅外探測器在室溫下暗噪聲較大，且探測帶寬受限，實(shí)現(xiàn)超靈敏與高分辨的距離測量仍頗具挑戰(zhàn)。因此，亟待發(fā)展新型紅外光子測控技術(shù)，以克服紅外光場在高探測靈敏度與高時(shí)間分辨率方面的長期難題，從而滿足稀疏光子場景下中紅外高精度測距與成像的迫切需求。

為此，非線性上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)有望提供解決之道，通過非線性和頻過程將中紅外光場上轉(zhuǎn)換至可見或近紅外波段，進(jìn)而利用高性能硅基探測器完成對信號(hào)的靈敏與精確捕獲。當(dāng)前，在連續(xù)光泵浦的上轉(zhuǎn)換測距方案中，軸向分辨率受限于探測器的時(shí)間抖動(dòng)，通常在亞厘米量級(jí)。而同步脈沖泵浦的上轉(zhuǎn)換測距方案，盡管消除了探測器時(shí)間抖動(dòng)的限制，可將軸向分辨率提升至微米水平，但其采用機(jī)械掃描作為光延遲手段，難以滿足大范圍與高速率的測量需求。

近年來，雙光梳測距技術(shù)以其高精度和大量程的優(yōu)勢在測距領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，該技術(shù)主要被應(yīng)用于近紅外波段，將其拓展到中紅外面臨諸多挑戰(zhàn)。在光源方面，制備出具有高功率、高相干的中紅外光源仍頗具難度；在探測方面，高靈敏、大帶寬的室溫紅外探測器尚無法獲取；在數(shù)據(jù)處理方面，需要進(jìn)行傅里葉變換或希爾伯特變換提取時(shí)間信息，增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。因此，雙光梳技術(shù)在中紅外距離測量中的應(yīng)用仍待進(jìn)一步探索。

創(chuàng)新研究

研究團(tuán)隊(duì)提出并研制了基于異步上轉(zhuǎn)換采樣的高分辨中紅外單光子測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了具備單光子靈敏度、皮秒時(shí)間分辨率和寬掃描范圍的中紅外激光測距性能。該方法的核心在于異步脈沖泵浦的非線性上轉(zhuǎn)換探測，其基本原理如圖1所示。

圖1基于異步上轉(zhuǎn)換采樣的中紅外測距原理圖

具體來說，攜帶距離信息的中紅外脈沖在非線性晶體中被重頻與之相差1 kHz的近紅外泵浦脈沖采樣，并轉(zhuǎn)換至可見光波段。得益于二者間的重頻差，兩脈沖在時(shí)域上能夠自發(fā)實(shí)現(xiàn)掃描，并產(chǎn)生周期為1 ms的和頻信號(hào)。全光掃描過程所獲得的最大延時(shí)量可達(dá)46.45 ns（由重復(fù)頻率決定），相當(dāng)于自由空間中7 m長的延遲線，克服了同步脈沖泵浦上轉(zhuǎn)換方案中機(jī)械延遲線掃描范圍有限的不足（通常幾十厘米），可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)中紅外高速測距。此外，這一過程將互相關(guān)軌跡在時(shí)域上拉伸了2×10?倍，利用低帶寬硅基單光子探測器即可實(shí)現(xiàn)對中紅外信號(hào)的高靈敏與高精度探測。所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2中紅外上轉(zhuǎn)換單光子測距實(shí)驗(yàn)裝置圖

進(jìn)一步地，結(jié)合時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對中紅外光子的高靈敏與高精度測量。為模擬少光子場景，實(shí)驗(yàn)采用中性濾波片對中紅外光進(jìn)行衰減，圖3(a)為對應(yīng)探測端光子數(shù)為8×10?? 光子/脈沖時(shí)中紅外上轉(zhuǎn)換信號(hào)的直方圖，脈沖時(shí)間寬度在213 ns，遠(yuǎn)大于圖3(b)中單光子探測器自身的時(shí)間抖動(dòng)830 ps。利用異步采樣的放大因子，可以得到有效測距分辨率為9.9 ps，比單光子探測器自身時(shí)間抖動(dòng)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。測距精度由圖3(c)艾倫方差表示，當(dāng)平均時(shí)間為64 s時(shí)，可以達(dá)到4 μm。所采用的時(shí)間拉伸單光子計(jì)數(shù)技術(shù)克服了單光子探測器固有的時(shí)間抖動(dòng)，可獲得傳統(tǒng)飛行時(shí)間單光子測距系統(tǒng)無法達(dá)到的精度。

圖3 基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的高靈敏中紅外測距

總結(jié)與展望

這項(xiàng)研究創(chuàng)新結(jié)合了異步光學(xué)采樣與上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了紅外光子高精度與高靈敏探測，解決了將單光子測距技術(shù)拓展至中紅外波段面臨的長期難題。未來，可以使用更短泵浦脈沖以提高測距分辨率，同時(shí)適當(dāng)增加雙色激光器的重復(fù)頻率和重頻差，獲得更高刷新率和更精細(xì)的掃描步長。此外，該方法有望擴(kuò)展至長波紅外或太赫茲波段，以滿足高靈敏和高分辨的距離或深度測量需求，為紅外遙感、光子測繪、形貌表征等領(lǐng)域提供支撐。