基于非线性频率上转换的红外成像技术研究

赵令伟，刘 磊，华卫红*

(1.中国人民解放军78156部队，宁夏 中卫 755100；2.国防科技大学 前沿交叉学科学院 高能激光技术研究所，湖南 长沙 410073)

0 引言

基于非线性频率上转换的红外成像技术是利用激光与物质相互作用实现频率变换的方法，将低频红外图像等信息转换到近红外或者可见光波段，再通过高性能的近红外或可见光相机对转换信息进行探测，可以间接实现低频红外图像信息的探测。相比于传统的高成本红外成像相机，基于非线性频率上转换的红外成像技术具有高速响应且无需冷却、固有噪声低等特点，具有很好的研究前景。

1968年，Midwinter J E在铌酸锂晶体中首次利用光参量频率上转换的方法，将红外辐射的信号图像转换为可见光图像[1-2]，实现了非线性光学在图像信息领域应用的突破性进展，而后人们在非线性频率上转换领域开展了大量的科学研究[3-7]。2012年，丹麦技术大学的Dam J S等人在室温条件下实现了中红外光谱的频率上转换成像[8-10]，他们将蜡烛发出的光作为中红外信号光源，并通过1 064 nm光源进行泵浦，在掺杂MgO(5 mol%)的PPLN晶体内进行非线性频率上转换，实验过程中通过对非线性晶体的工作温度和极化周期进行调谐(实验系统的可调谐波长范围是2.85～5 μm)，探测到2.9，3.4，4.2 μm波长处的成像信息(分别对应的是H2O，C-H化合物和CO2的强发射谱)，探测过程中的背景噪声相对比较低，在3 μm光谱范围系统的背景噪声仅为0.2 光子/空间元素/秒。2017年，Nan Huang等人[11]利用窗口波长在2.9～3.5 μm的可调热灯泡发射中红外非相干光，在最低输入功率为31 fW时，室温条件下与1 064 nm泵浦光在非线性晶体内进行和频，并利用分辨率为120×70，波长在785 nm范围的EM CCD相机实现了非相干连续光的频率上转换成像，室温下的背景噪声为0.57光子/空间元素/秒，通过优化系统参数，频率上转换量子效率达到28%。目前，国内外研究工作者在频率上转换成像方面的研究逐渐增多[12-16]，但是整体成像转换效率并不高，在非线性频率上转换成像过程中，高频泵浦光在一定程度上决定了红外图像的转换效率与成像质量。本文主要通过研究红外信号光在脉冲光泵浦和连续光泵浦2种条件下的频率上转换效率和成像质量，分析不同泵浦功率条件下的背景噪声等参数，探索提高频率上转换效率和成像质量的优化方案，推动频率上转换成像技术走向实用。

1 基于非线性频率上转换的红外成像技术理论分析

基于非线性频率上转换的红外成像技术，利用非线性光学中频率变换的方法，将低频红外光与高频泵浦光入射到非线性介质中发生相互作用，使其携带的图像信息转化到近红外波段或可见光范围，再通过市场上成本较低的高性能近红外或可见光探测器进行探测，间接实现了对红外波段携带图像信息的精确测量，提高了红外辐射的探测效率，避开了制备高性能红外探测器的难点问题，突破了红外辐射探测波段的响应瓶颈。频率上转换示意如图1所示。在非线性和频晶体中，较弱的红外低频光(ω1)与高频泵浦光(ω2)发生相互作用，形成了较高频率的近红外或者可见光(ω3)。

非线性频率上转换过程主要是利用二阶非线性光学效应进行三波混频耦合，在小信号近似条件下，可以得到频率上转换系统的能量转换效率：

(1)

量子转换效率ηq为：

(2)

2 非线性频率上转换效率数值模拟

图2 频率上转换效率随泵浦光束腰值大小的变化Fig.2 The change of frequency up conversion efficiency with the beam waist value of pumping light

频率上转换效率在不同束腰情况下与非线性晶体长度的关系如图3所示。由图3可以看出，当泵浦光的束腰值一定时，频率上转换效率随着非线性晶体长度的增加而提高，但是当晶体长度增加到一定值的时候，和频效率会存在饱和的情况，这是由于非线性晶体的长度达到一定值(超过了高斯光束的瑞利长度)时，继续增加非线性晶体的长度，不会增加信号光与泵浦光在非线性晶体内的有效作用长度，对和频效率的影响就会很小。随着泵浦光的束腰值变大，和频效率达到饱和情况下的非线性晶体长度也随之变长，主要原因是泵浦光的束腰值越大，光束的瑞利长度越长，信号光与泵浦光的有效作用长度可以进一步增加。

图3 频率上转换效率在不同束腰情况下与非线性晶体长度的关系Fig.3 The relationship between the frequency up conversion efficiency and the nonlinear crystal length under different beam waist conditions

在3 420 nm信号光输入功率为2 W条件下，1 064 nm泵浦光输入功率发生变化时，频率上转换效率与基频光功率配比(P泵浦光/P信号光)关系的模拟结果如图4所示。

图4 频率上转换效率随基频光功率配比的变化Fig.4 The change of frequency up conversion efficiency with the ratio of fundamental frequency optical power

由图4可以看出，频率上转换效率随着基频光功率配比的增加而提高，但是当基频光功率配比增加到一定值时，频率上转换效率接近饱和状态，继续增加1 064 nm泵浦光功率的效果不明显。

3 基于非线性频率上转换的红外成像技术实验研究

3.1 基于脉冲光泵浦的中红外上转换成像实验研究

红外图像的转换效率和图像分辨率指标的优化是非线性频率上转换技术走向实用化的核心关键问题[20-21]，其中携带图像信息的中红外激光强度、泵浦光的功率密度以及非线性晶体材料特性对信号光的频谱带宽和入射角的限制，都直接影响红外成像的转换效果。

3.1.1 中红外上转换探测

马启智：根据2011年国家的公告，我国全年用水总量为6 080亿m3，农业用水是3 790亿m3，农业用水占全国用水总量的62.4%。根据生产2.4斤（1.2 kg）粮食需要耗水1 m3，也就是1t的计算公式，农业用水3 790亿m3也就大体生产粮食9000多亿到1万亿斤（4500亿～5000亿kg）这样的水平。我的问题是，在我国，特别是北方干旱缺水地区，随着城市的不断扩张和工业的发展，城市和工业用水与农业用水的矛盾越来越尖锐。在这种情形下，为了巩固农业的基础地位，保障我国的粮食安全，我想请问水利部的领导，我们如何应对农业用水资源越来越紧缺这一挑战？谢谢。

在对中红外信号光进行成像之前，首先实现了中红外光的和频上转换探测。实验装置如图5所示。

图5 实验装置Fig.5 Experimental devices

实验采用的是微腔结构的主动调Q二极管Nd：YAG 1 064 nm激光器(型号：STANDA-Q1，重复频率为1 kHz，脉宽是823 ps)，另一路输入信号光源采用的是可调谐中红外光，波长可调谐范围为3 000～3 800 nm。M为平面反射镜(R≈97%@1 064 nm)，L为耦合镜(HR>99.5%@1 064 nm，HT>90%@3 000～4 000 nm)，透镜F1，F2，F3焦距分别为100，200，100 mm，增益介质为掺杂5 mol%MgO的PPLN多周期晶体，极化周期分别为22.6，22.67，22.74 μm，长20 mm，宽7.1 mm，厚2 mm。实验中选用的极化周期是22.67 μm，晶体的两端面均镀有对泵浦光1 064 nm(R﹤0.5%)、中红外信号光(R﹤1%)与和频光(R﹤0.5%)的增透膜，采用透射型光栅(GT25-03，Thorlabs)对输出光进行衍射分离，并测量分析+1级和频输出光。

测得非线性频率上转换效率仅为3.8×10-6，低于理论模拟值，这与2路输入光谱的束腰值大小、共线度和泵浦光的占空比大小有直接关系。特别是1 064 nm脉冲光源作为泵浦光，它的占空比仅为8.23×10-7，在单脉冲周期内才能够与中红外光进行频率上转换作用，非脉冲周期内的中红外光不发生任何相互作用，因此它的整体能量转换效率相对比较低。

3.1.2 中红外上转换成像

探测到中红外频率上转换和频光后，为了更好地进行成像实验，更换4F成像系统中透镜F2的焦距为300 mm，增大泵浦光的束腰直径，用以提高中红外信号光与泵浦光的相互作用空间，增强边缘成像效果，在此基础上还更换了透镜F3的焦距为200 mm，对上转换图像进行放大便于观察。

中红外输入图像信息如图6所示。通过频率上转换后的和频光携带了中红外图像的全部信息，就可以通过高性能的CCD相机对上转换和频光进行快速成像，达到间接探测中红外图像信息的目的。使用的CCD相机是Photonfocus生产的MV1-D1312I-C031-160-CL型号工业相机接收成像信息。

图6 输入图像信息Fig.6 Input image information

CCD成像信息如图7所示。在中红外图像输入功率为53 mW时，利用CCD相机实现了近红外上转换和频光(811 nm)的快速成像，并间接测得了中红外所照射物体的成像信息。

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

通过物像信息对比可以看到，通过CCD相机所探测到的成像信息在图像边缘部分比较模糊和暗淡，这是由于频率上转换成像系统的低通滤波作用，使成像信息中的部分高频成分丢失，导致图像信息的边缘等突变部分比较模糊。图像暗淡的另一个原因是实验中使用的是中红外相干光源照射物体经过频率上转换所成的像，相干光源相比非相干光来说它的成像信息会更加模糊一些[22-23]。

在CCD相机对中红外信息成像的基础上，进一步降低中红外光功率至1.2 mW，并利用EMCCD相机对微弱条件下的中红外光进行成像，如图8所示。实验中选用法国First Light EMCCD相机，型号为OCAM2-OCAM2K。

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

实验中通过USAF 1951分辨率板来探测中红外光成像信息的空间特征，USAF 1951分辨率板成像信息如图9所示。通过中红外光照射分辨率板后与泵浦光进行非线性频率上转换，得到了空间分辨率板的图像信息，由于在4F成像系统中f3=2f1=200 mm，所以物体的成像信息放大了1倍，对照USAF 1951空间分辨率板参数，可以得到分辨率为2.52/2 lp/mm。

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

3.2 基于连续光泵浦的中红外上转换成像技术研究

在非线性频率上转换过程中，频率上转换效率主要取决于入射泵浦光的功率密度，泵浦光功率密度大转换效率高，泵浦光功率密度小转换效率低。考虑到脉冲泵浦光源占空比较低、泵浦强度不够的问题，为了提高非线性频率上转换和频效率，利用连续光源泵浦中红外信号光进行频率上转换成像研究。

实验装置与图5保持不变，其中泵浦光是连续的1 064 nm光源，透镜F1，F2，F3的焦距分别为100，300，100 mm，非线性晶体采用HCP公司生产的多周期PPLN晶体(掺杂5 mol%MgO)，极化周期分别为20.6，20.9，21.2，21.5，21.8，22.1，22.4，22.7，23，23.3 μm，长25 mm，宽12.3 mm，厚1 mm，实验中选用的极化周期是22.7 μm，晶体的两端面均镀有对泵浦光1 064 nm(R﹤0.5%)、中红外信号光(R﹤5%)与和频光(R﹤0.5%)的增透膜。

3.2.1 上转换和频光的输出特性

在晶体最佳工作温度下，当连续泵浦光功率为28.5 W，上转换和频光与中红外输入光的关系曲线如图10所示。。

图10 上转换和频光输出功率与中红外输入光功率关系Fig.10 The relationship between up-conversion sum-frequency optical output power andmid-infrared input optical power

中红外输入功率2.52 W时，上转换和频光功率为51.68 mW，上转换效率为2.05×10-2，相对于脉冲光泵浦条件下的频率上转换效率提高了5.47×103倍

3.2.2 中红外信息成像

实验中输入的基频光是高斯光束，它的能量密度中间较高，周围较低，当泵浦光的束腰直径与中红外束腰直径相差不多时，中红外光斑的中间部分转换效率较高，而周围部分转换效率较低，容易导致频率上转换过程中红外图像的成像模糊。初次尝试对中红外信息进行成像时，出现了频率上转换成像模糊的情况。此时1 064 nm泵浦光的输入功率为28 W，束腰直径为0.28 mm，其输入中红外图像信息如图11所示。中红外光输入功率32 mW时的频率上转换成像信息如图12所示。

图11 中红外输入图像信息Fig.11 Mid infrared input image information

图12 CCD相机探测的频率上转换成像信息Fig.12 Frequency up-conversion imaging information detected by CCD camera

实验中采用的CCD成像相机是德国AVT公司生产的Goldeye G-033型号工业相机。为进一步增强频率上转换光的成像质量，在缩小中红外束腰半径的同时，增大泵浦光的束腰半径。中红外输入功率72 mW时上转换光谱成像信息如图13所示，此时泵浦光的输入功率为28 W，束腰直径为0.5 mm。

图13 束腰调整后的上转换光成像信息Fig.13 Up-conversion imaging information after beam waist adjustment

由图13可以看出，经过调整泵浦光和中红外光的束腰值，成像效果有了明显改善，但是中红外上转换成像信息的分辨效果比图6所示的脉冲泵浦成像信息差，既与CCD相机的分辨率有关，也是由于连续泵浦光相对脉冲泵浦光受到的背景噪声影响更大。为进一步提高成像信息的分辨率，可以在泵浦光束腰值满足高质量频率上转换成像要求的情况下，提高输入功率来增大泵浦光的功率密度，在调整光束束腰值大小的同时也要充分考虑晶体长度对发散角的限制。

3.2.3 图像分析

在频率上转换成像过程中，特别是在高功率泵浦情况下，相对于脉冲光泵浦来说，连续光泵浦受到背景噪声的影响更大。当中红外信息图像输入功率为56 mW时，在不同1 064 nm连续光泵浦功率下的成像如图14所示。

图14 不同泵浦功率条件下的中红外成像Fig.14 Mid-infrared imaging under different pumping power conditions

由图14可以看出，随着泵浦光功率的增大，上转换和频效率得到了提高，频率上转换成像更加清晰明亮，但同时也可以看到成像信息的边缘相对于中心也更加模糊，除了与非线性频率上转换系统的低通滤波作用有关外，还与系统的背景噪声有关。

不同泵浦功率下成像信息图中行与列的灰度值如图15所示。

图15 不同泵浦功率下成像信息图中行与列的灰度值Fig.15 Gray values of rows and columns in the imaging information graph under different pumpingpower conditions

由图15可以看出，图像信息的灰度值呈现出高斯分布，这是由于频率上转换系统的输入光是高斯光束，频率上转换形成的和频光也将呈现高斯分布，与实验分析相符，随着泵浦光功率的增加，上转换和频效率得到提高，和频光的输出功率密度增大，灰度值也得到相应增加。

成像信息图在不同点处的灰度值随泵浦功率变化如图16所示。

图16 成像信息图在不同点处的灰度值随泵浦功率变化Fig.16 The gray value of the imaging information graph at different points changes with the pump power

由图16可以看出，在频率上转换成像点(136，287)和(130，300)处的灰度值随着泵浦光功率的增加而提高，呈现出较好的线性增长关系，而且靠近高斯光斑中心处的点(136，287)比远离高斯光斑中心的点(130，300)灰度值提高的快，导致在增加高斯泵浦光功率的情况下成像信息的边缘比中心处的灰度值更低，边缘成像相对模糊。在非频率上转换成像点(100，100)，(100，200)，(200，100)，(400，400)处的灰度值不为0，而且也随着泵浦光功率的增加有所提高，只是相对于频率上转换成像点增长比较缓慢，充分说明频率上转换成像系统存在着较大的背景噪声，而且随着泵浦光功率的增加，噪声也会逐渐增大。

4 结束语

本文主要结合非线性频率上转换技术的国内外研究现状，利用实验室已有条件，对不同泵浦条件下的非线性频率上转换成像技术进行了实验研究，对比分析了脉冲光和连续光泵浦条件下的非线性频率上转换效率，分析讨论了2种光泵浦条件下的红外上转换成像质量，并在较低连续泵浦光输入条件下对实验系统的背景噪声进行了分析，为进一步提高频率上转换效率与成像质量提供了有效的实验数据。下一步可以通过提高脉冲光源的重复频率和功率密度，增加脉冲光源的占空比达到准连续状态，进而可以提高非线性频率上转换效率，实现低系统噪声下的红外成像；其次是增加连续泵浦光源的输出功率，在确保连续泵浦光功率密度满足频率上转换的条件下，进一步增加泵浦光源的束腰半径，实现弱光条件下的高质量红外成像。