一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法技术

本发明专利技术公开了一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法，其特点是该方法使用多波长窄带激光作为非线性转换的泵浦源，同时采用多周期的准相位匹配晶体作为非线性上转换介质，实现中红外信号宽带且高效的转换，并结合高性能的近红外光谱测控元件，最终获得宽波段、高分辨、超灵敏的中红外光谱探测。本发明专利技术与现有的上转换光谱技术相比具有大带宽与高效率的特点，同时可以高保真分辨中红外的光谱信息，为实现宽波段、高分辨的超灵敏中红外光谱测量提供了有效手段，有望应用于分子光谱学、痕量物质检测、红外遥感及大气监测等重要领域。红外遥感及大气监测等重要领域。红外遥感及大气监测等重要领域。

【技术实现步骤摘要】
一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法


[0001]本专利技术涉及中红外光谱
，尤其涉及一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法。

技术介绍

[0002]中红外波段对应着诸多分子的振转能级跃迁峰，与大多数生物组织、化学材料的分子成分与结构直接相关，被称为分子“指纹”光谱区，广泛应用于物质定性与定量检测。中红外光谱技术的发展在生命科学、环境监测、材料工程、医学诊断、红外遥感等方面具有重要的应用前景。尤其是，宽波段中红外光谱技术有利于一次性获取多组份的谱线特性，高分辨的中红外光谱技术为获取谱线的精细表征提供了有力手段，超灵敏的中红外光谱技术在低辐射照度的条件下能获取较高的信噪比。当前，中红外光谱技术在不断更迭与进步，亟待发展出兼具宽波段、高分辨、超灵敏的中红外光谱探测新技术，以满足科学与工业领域对于多组分物质检测、高精度谱线分析、痕量物质检测等方面的迫切需求。
[0003]目前，中红外光谱仪一般是基于光栅色散检测或使用傅里叶变换红外(FTIR)检测。光栅光谱仪利用光栅分光将中红外光谱空间分离，然后被线阵探测器所检测。然而，受制于中红外探测阵列有限像素和低帧频的不足，光栅光谱仪的分辨率通常很低且成谱速度慢。傅里叶变换红外光谱仪虽然能使用单点探测器，达到更高的光谱分辨率且具有较宽的光谱范围，但其依赖于机械扫描，极大地限制了成谱速度，因此不适合快速采集。此外，中红外光谱仪的探测元件一般采用基于窄带隙半导体材料(如：HgCdTe,InSb)，受限于内禀噪声，通常需要借助温度极低的多级冷却系统抑制暗电流和热噪声，来提升探测系统的灵敏度。即便如此，其灵敏度相对于工作在近红外波段的探测器依旧相差甚远。因此，中红外光谱技术受分光方式与红外探测器件的限制，在成谱速度、光谱分辨率、探测灵敏度等方面亟待突破。
[0004]鉴于目前中红外光谱技术面临的困难，中红外频率上转换探测技术在近年来迅速发展。该技术通过非线性和频过程将微弱中红外信号高保真地转换到可见/近红外波段，这不仅可以利用成熟的色散分光元件，获得更高的光谱分辨率，而且可以利用像素更多、噪声更低、响应速度更快的可见/近红外探测阵列探测，实现中红外波段超灵敏快速成谱。然而，现有的上转换光谱技术受限于准相位匹配带宽，导致高效转换的光谱窗口一般仅有几十纳米，远远不能满足诸如红外遥感、环境监测、天文观测等宽带探测场景的需求。突破匹配带宽的限制往往通过调谐非线性晶体温度、变换非线性介质的光栅周期、调谐信号光入射角度等方式来拓宽匹配带宽。但是，这些方式都依赖于机械调谐，其过程缓慢，严重限制了光谱采集速度。此外，另一类常用方法是利用周期连续变化的啁啾非线性介质提高带宽，该方法虽然避免了调谐变换，但有限的非线性作用距离限制了转换效率，进而牺牲了探测灵敏度。因此，上转换光谱技术面临着探测带宽与探测效率的相互制约，亟待发展出兼具宽带转换、高转换效率的中红外上转换光谱探测技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法，采用不同泵浦波长下对应的准相位匹配周期极值，设计多周期的非线性介质，在多波长单频窄线宽激光泵浦作用下，拓宽非线性相位匹配的整体带宽，利用多波长单频泵浦与多周期非线性介质，实现高效率的中红外频率上转换探测。最后，利用近红外成熟的色散元件和单光子探测阵列，实现中红外宽光谱范围内高灵敏、高速度、高分辨的光谱分析。该方法克服了中红外波段宽光谱探测和高转换效率之间的相互制约，能够实现宽波段、高效率、高分辨的中红外光谱超灵敏探测，为红外分子光谱学、痕量物质检测、红外遥感探测及大气监测等应用提供有力支撑。
[0006]实现本专利技术目的具体技术方案是：一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法，其特点是采用多波长的单频窄带激光器作为泵浦光，使用多周期的非线性介质，实现宽带中红外覆盖以及高效的中红外频率上转换，转换后的光谱成分无交叠，使用高性能的近红外色散与探测元件，实现中红外宽带光谱的高分辨、超灵敏探测，该方法具体包括下述步骤：
[0007]1)采用多波长的单频窄线宽激光作为泵浦光，突破传统单波长泵浦下相位匹配带宽有限的困境，不同的泵浦波长可以实现多个中红外信号谱带的同时高效转换，转换后的光谱成分无交叠，且经过简单的上转换光谱拼接，即可获得宽波段的中红外光谱探测范围。
[0008]2)采用多周期的非线性介质作为频率上转换的媒介，参考不同泵浦波长条件下非线性转换对应的准相位周期极值，设计周期离散变化的晶体或者波导，通过多周期结构来获得宽带的相位匹配窗口，同时获得更长的非线性相互作用长度，实现更为高效的非线性频率上转换。
[0009]3)泵浦光源采用窄带单频激光，因其具有单纵模、低噪声、窄频谱特性，能够保证非线性转换后的波长与中红外信号波长一一对应，从而高保真地保持中红外信号的光谱信息，结合可见光、近红外的高分辨色散元件及多像素探测元件，为实现高分辨的中红外光谱分析提供保证。
[0010]所述多周期的非线性介质包括晶体、波导等结构，利用非共线的准相位匹配，拓宽中红外信号的匹配带宽，所述非线性晶体、波导的材质包括不限于：周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体/波导、周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体/波导、周期性极化钽酸锂(PPLT)晶体/波导等；所述多周期应参考不同泵浦波长下上转换的准相位周期极值来选择，以保证覆盖所需探测的中红外光谱范围，非线性介质的周期选择包括不限于34.8μm、28.1μm、25.8μm、24.1μm；所述非线性介质的晶体、波导结构设计包括不限于：多周期级联排列、多周期交错排列等。
[0011]所述多波长的单频窄线宽激光作为泵浦光是采用多波长合束的泵浦光源，该泵浦光源由多个单频窄线宽的连续激光器构成，在和频过程中能保持宽波段中红外光谱信息，泵浦激光源的个数包括不限于4个；所述泵浦光波长包括不限于：1.55μm、1.35μm、1.20μm和1.10μm等。
[0012]所述可见光、近红外的高分辨色散元件包括不限于棱镜、光栅、虚拟成像阵列等。
[0013]所述多像素探测元件，包络不限于CCD、EMCCD、CMOS、sCMOS等探测器阵列等。
[0014]本专利技术与现有技术相比具有以下显著的技术效果和进步：
[0015]1)多波长的连续激光作为泵浦光，不同泵浦波长所对应的上转换光谱无交叠，通过谱带拼接处理，即可获得宽波段的中红外光谱探测窗口，突破了传统单波长泵浦下相位匹配带宽有限的困境。同时，泵浦光源采用窄带单频激光，因其具有单纵模、低噪声、窄频谱特性，能够保证非线性转换后的波长与中红外信号波长一一对应，从而高保真地保持中红外信号的光谱信息，为实现高分辨的中红外光谱分析提供保证。
[0016]2)多周期的非线性介质作为频率上转换的媒介，中红外入射晶体无需调谐温度、周期、角度即可获得宽带的相位匹配窗口，规避了机械调谐对成谱速度的限制。同时，相比啁啾结构的非线性介质，还能获得更长的非线性相互作用距离，从而提升宽带非线性频率上转换的效率。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长泵浦的中红外上转换光谱探测方法，其特征在于，该方法采用多波长的单频窄带激光器作为泵浦光，使用多周期的非线性频率上转换介质，实现宽带中红外覆盖以及高效的中红外频率上转换，利用高性能的近红外色散与探测元件，实现宽波段、高分辨、超灵敏的中红外光谱探测，具体包括下述步骤：步骤1：将宽带中红外光源照射待测样品，获取样品吸收光谱信息的宽带中红外光；步骤2：使用多波长泵浦光合束形成多色泵浦场，利用二向色镜将多波长泵浦光与中红外信号光再空间合束；步骤3：通过多周期非线性介质在多波长泵浦场的作用下进行宽带频率上转换，将红外信号转换到可见/近红外波段；步骤4：利用可见/近红外色散元件分光，以及可见/近红外探测阵列获得光谱，将放样品的光谱强度与不放样...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄坤，曾和平，刘笑涵，宋月，
申请(专利权)人：华东师范大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：