红外上转换成像技术研究进展

汪 韬,马晓燠,杨奇龙

(1.中国科学院大学,北京 100049;2.中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209;3.重庆连芯光电技术研究院有限公司,重庆 400021)

1 引 言

红外或近红外,尤其是光通信波段的光子波长处在大气和光纤的低损耗传输窗口,在生物医学成像[1]、国防军事[2]、气体分析[3]和量子信息[4]领域具有广泛地应用。目前最先进的直接红外探测器有热传感器[5-6]、半导体探测器[6-8]或超导纳米线探测器[9-10]。热传感器成本低廉,由于其响应速度慢、灵敏度低,只能用于对精度和速度要求不高的场合；半导体探测器灵敏度高,但需要冷却操作和精密处理；超导纳米线探测器具有高灵敏度和快速响应的特点,但是在几mK到K的极低温度下工作,成本高昂。

与之相比,可见光波段的单光子探测器件(Si-APDs、PMTs)和CCD传感器具有量子效率高、暗计数低以及响应快的特点。因此,有效地将中、近红外光上转换为可见光,并利用可见光高性能的探测器探测的上转换技术引起了人们的注意。1968年,Midwinter首次实现了从短波红外1.6 μm到可见光484.2 nm的参量上转换成像,他利用输出功率为0.5 W的红宝石激光器泵浦氙灯照射的目标在LiNbO3晶体中进行上转换,并利用柯达相机采集上转换图像,获得了50线的空间分辨率和10-7的转换效率[11]。然而,受到晶体材料、泵浦功率和探测器性能的限制,这项技术在1970年后几乎无人问津。

21世纪以来,随着频率上转换技术的快速发展,上转换成像技术重新引起了人们的兴趣。2002年,Christopher D.Brewer等人[12]在利用LiNbO3晶体实现激光雷达红外回波信号到可见光的上转换接收机中,通过使用微透镜阵列使系统的视场增加了6 %,光束耦合效率提高了18 %。2004年,David J.M.Stothard等人[13]实现了紧凑的、泵增强的和连续波光学参量振荡器的用于气体主动实时高光谱成像的可调谐系统。2010～2011年,Benot ChalopinS.[14]、Bonora[15]、Mark D.Petersen[16]等人分别使用自成像谐振腔增强、氧化钒薄膜层中的高对比度光开关和用kHz放大激光系统实现了二次谐波图像上转换。2015年,A.J.Torregrosa等人[17]通过放大自发辐射(ASE)光纤光源照射的1550 nm波长的入射图像和频得到视场显著增强的上转换像。2018年,H.Maestre[18]、Dismas K.Choge[19]等人利用PPLN晶体温度梯度诱导啁啾的可重构性实现红外图像上转换,分别增强了上转换图像的视场和拓宽了输入红外波的光谱接收范围。2020年,Juan Capmany等人[20]通过在泵浦光束腔内放置一个通过对相位匹配条件瞬态电光抑制的非线性晶体,实现了对上转换图像的快速、灵活实时选通的内腔非线性图像选通上转换系统。2009至今,丹麦技术大学光子实验室的C.Pedersen团队对上转换成像技术进行了大量研究,他们对提高图像上转换的效率[21,27]、空间分辨率[23-27]、视场[26]和噪声特性[27]等方面进行了详细的研究。

上转换成像技术的图像视场、空间分辨率、上转换效率、噪声和成本是阻碍其实际应用的关键因素。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述,随后介绍了提高上转换成像技术性能的不同方法并进行了比较,最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。

2 红外上转换成像技术原理

红外上转换成像是利用非线性光学和频过程,将红外照明的图像上转换为可见光光谱,同时保持其量子特性的不变,然后利用可见光谱范围具有更好性能的图像传感器成像。与现有的红外光谱范围和THz区域的成像传感器相比,上转换成像技术可以获得实时的、全非扫描的二维图像[28]。这种方法充分利用了可见光波段图像传感器在噪声、速度、分辨率或非制冷操作方面更优的性能,克服了红外图像传感器暗噪声高、需制冷等缺点,可以实现红外图像高灵敏度、高分辨率成像。

红外上转换成像技术的基本原理如图1(图片改编自文献[22])所示,角频为ω1的红外照射的目标形成目标图像,携带目标信息的红外光子与角频为ωp的泵浦光子由二向色镜DM合束,由透镜L1耦合到非线性晶体中,通过和频产生频率ωup的上转换图像,并由透镜L2将上转换的图像投影到的探测器D上。

图1 上转换成像技术原理

上转换图像的分辨率随非线性晶体内上转换激光模式的大小而变,根据文献[21]、[22]中推导出的理论模型,上转换成像系统的点扩散函数(PSF)可由下式描述:

(1)

在系统的光学损耗和非线性损耗可以忽略的情况下,红外图像上转换到可见光的量子效率主要由频率转换的效率和可见光相机的量子效率决定。在相干光源照明的情况下,束腰尺寸与量子效率成反比。对于图1所示的非线性晶体位于4f系统的中心的情况,假设目标受单色源照明,共焦长度大于晶体长度lc,上转换图像的强度Iup可由下式描述:

(2)

式中,Pp是泵浦强度;EIR是输出图像的电场强度;PSF为系统的点扩展函数,M=-λ3f1/λ1f是成像系统的缩放因子;C是与上转换效率相关的系数,由下式计算所得:

(3)

其中,deff是非线性晶体的有效非线性系数;λ1是输入图像的光谱波长;ni=1,2,3分别表示输入图像、泵浦和上转换的波长。

当使用非相干源照明目标时,值得注意的是点扩散函数作用于目标图像的强度,而不是相干源照明时目标场的电场。因此,上转换图像强度为:

(4)

其中,c是真空光速;ε0是真空介电常数。

相干照明时上转换图像强度与束腰半径w0成反比,与之相比,非相干照明时上转换的图像强度与光束大小w0完全无关。上转换成像系统光学传递函数(OTF)是PSF的傅里叶变换,这意味着晶体内部的激光束形状决定了OTF。另一个有趣的特征是,式(4)不是f的函数,只是作为图像的放大系数,这也与相干情况形成对比[22]。

3 红外上转换成像技术研究现状

与直接红外成像技术相比,红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等。图像上转换的转换效率、空间分辨率、视场以及噪声特性是影响其实际应用的关键因素。近年来,人们对提高红外上转换成像系统的性能进行了大量的研究,并取得了众多高水平的研究成果。本节分别介绍了人们在提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场方面作出的研究工作,以及其他方面的研究成果。

3.1 高转换效率图像上转换

在高灵敏度的应用中,图像上转换的效率尤为重要。图像上转换的理论表明了增强泵浦强度可以有效提高转换效率,因而采用腔增强、多通等方式可以增加上转换图像的转换效率。随着晶体生产和掺杂等晶体学技术的发展,具有大非线性系数、高损伤阈值和极化周期多样等具有优良性能的晶体在频率转换领域得到广泛应用。采用腔增强、双共振、多通和多块晶体级联等方式,图像上转换的效率逐渐提高。

C.Pedersen等人[21]证明了将一幅完整的电磁光谱图像转换成一个新的期望波长区域的高转换效率方法,图2为实验装置图[21]。他们用765 nm高斯光束照射金属透射掩模产生图像,然后将图像聚焦在1342 nm固体Nd∶YVO4激光器的高腔内场中的非线性PPKTP晶体中,生成488 nm处的上转换图像。采用连续波泵浦和非共线准相位匹配技术,实验实现了40 %的上转换效率。

图2 实验装置示意图

2015年,华东师范大学的唐瑞凯等[29]人验证了分别使用空间物体和相位物体,在同步脉冲泵浦系统少光子水平的二维近红外成像过程中,强度和相位信息的空间分布得到了很好地保留。在背景噪声为1.5×103计数/秒(cps)的情况下,对于强度调制的二维图像,量子转换效率达到27 %。对于轨道角动量为1°的相位调制光子束,在背景噪声为3.8×103cps的情况下,他们得到了68 %的量子转换效率。最后,在12.5 %量子转换效率和1.1×103cps背景噪声的条件下,实现了3.39 μm的中红外成像。

2017年,黄楠等人[30]报道了一种非相干连续波弱光源从中红外光到近红外光的实验转换成像,其最低输入功率为31 fW。在窗口波长为2.9 μm到3.5 μm的可调电源的热灯泡的发光的非相干中红外图像用于上转换。在周期极化铌酸锂(PPLN)晶体周围806 nm的LD泵浦1064 nm的激光腔中实现了和频产生。利用硅基摄像机对波长范围为785 nm、分辨率约为120×70像素的红外图像进行低噪声检测。通过优化系统参数,预测了正确偏振、轴上和相位匹配光的上转换量子效率为28 %。

然而,由于受到矫顽电场的影响,目前周期极化非线性晶体的厚度只有mm量级,不利于实现高空间分辨率和大视场上转换成像。掺杂有利于降低非线性晶体的矫顽电场,更大通光孔径的非线性晶体的将有效弥补上转换成像系统在这方面的缺点。

3.2 高空间分辨率图像上转换

在实际中,泵浦光是一个有限尺寸的光束,它影响甚至决定了系统的PSF。通常,泵浦光束腰直径小于晶体的横向尺寸,并且上转换发生在晶体内部信号光和泵浦光重叠的区域中；因此,泵浦光尺寸决定了空间分辨率。由式(1)的点扩散函数可知,非线性晶体内上转换激光模式的大小越大,上转换图像的空间分辨率越高,然而,相干源照明时的图像上转换功率与光束半径的平方成反比。对于非相干源照明情况,上转换图像强度与束腰半径无关,并且非相干源具有更大的激光模式。这表明,非相干源照明目标可以得到增强上转换强度的同时实现上转换图像的高空间分辨率。

根据这一原理,2010年,J.S.Dam等人[24]把PPKTP晶体置于半导体激光器泵浦Nd∶YVO4晶体的激光腔内,利用25 W标准照明灯泡的灯丝经750 nm带通滤波器滤波后作为目标图像,由CCD相机探测上转换图像,实现了热照明物体超过200×1000像素的分辨率,系统的量子效率为10-4,图3为上转换实验结果[24]

图3 上转换实验结果

随后,J.S.Dam等人提出了一个非相干图像上转换的综合理论,并对相干和非相干源照明图像上转换进行了比较[22]。实验结果如图4所示[22],其中图4(a)是非相干源照明目标时上转换图像,图4(b)是理论计算出非相干源照明的上转换图像,图4(c)是理论计算出的相干源上转换图像。从实验结果可以看出非相干源照明时具有比相干源更高的空间分辨率。

图4 相干和非相干源照明标准分辨率目标的上转换实验结果

3.3 视场增强上转换成像

成像系统的视场是其关键参数之一,成像系统的视场越大,成像范围更广。特别是对于利用扫描元件或扫描镜对目标物以瞬时视场为单位进行逐行逐点采样的扫描成像,上转换器的视场角必须近似等于或大于红外光谱入射角。上转换过程的视场大小受到非线性晶体的有限角度接受的制约。一方面,角度接受受到非线性晶体有限截面尺寸的限制；另一方面,用于频率转换的非线性晶体中非共线相位匹配是角度敏感的,准相位匹配过程的角接受带宽限制了更大角度光束的上转换。

3.3.1 宽带光源

上转换角度越宽,上转换图像中的视场(FoV)越大。然而,非共线相互作用中的上转换角度是波长敏感的,宽带光源将允许相位匹配条件扩展到更宽的入射角,因此,远离光轴的不同波长的目标点将被有效的上转换。图像上转换技术中,激光照明可以提供比热源更高的照明亮度,然而,宽带和多波长源可以产生平滑和加宽的视场。

最近,Demur等人[31]提出了通过调整泵浦光谱来提高FoV的替代方案。他们使用带宽几纳米的宽带激光在一次采集(采集时间=20 μs)中上转换由1563 nm的连续激光照射的整个物体(宽视场),利用QPM技术在PPLN晶体中实现图像上转换。

2015年,A.J.Torregrosa报道了一种将放大自发辐射(ASE)光纤光源照射的1550 nm波长(人眼安全)的入射图像与连续波二极管泵浦Nd3+:GdVO4激光器产生的1064 nm高斯光束混合,在周期极化的铌酸锂(PPLN)晶体中进行和频得到631nm的红光光谱区附近的上转换像,并利用非增强型CCD相机实时捕捉图像的系统[17]。相对于使用相干激光照明进行上转换,ASE照明的使得视场(FOV)显著增加。如图5所示[17],每个图案底部的波矢量图说明了不同入射角和不同红外照明波长所达到的相应QPM峰值条件。图5(d)显示了使用ASE照明时产生的情况。与用于激光照明的图5(a)相比,可以在上转换图像中的FOV明显的增加。这是由于ASE光源的光谱更宽,它为每个上转换的输入角提供了必要的波长。

图5 不同条件下调谐的照明激光束获得的上转换图案

3.3.2 热梯度

图像上转换器的视场与要上转换的红外辐射的波长光谱含量紧密相关。因此,二维图像上转换需要在非共线准相位匹配(NCQPM)过程中加入一组不同的入射角。因此,需要一个多波长的光源来上转换尽可能多的红外入射角。上述的研究表明,在适当的光谱整形下,宽带或多波长源可以在图像上转换器中产生平滑和加宽的视场。然而,通过在PPLN晶体的两端加入热极和冷极形成的热梯度会导致晶体中的折射率梯度,从而引起相互作用波的波矢失配,这种机制可以在单波长源照明时有效拓宽QPM的带宽。波矢量失配的这种变化也是啁啾PPLN光栅的一个特点,因此,这种技术与宽带源等效,特别是,热梯度允许重构晶体中的非线性过程。

2016年,H.Maestre等人[32]提出了一种利用晶体热梯度增加单色源照明目标的图像上转换视场的方法。随后他们在2018年进行了相关实验,实验装置的原理图如图6所示[18]。在他们的工作中,探讨了在使用单波长激光照明时,将热梯度应用于PPLN晶体有助于拓宽上转换器的角度接受范围,以增加上转换器的视场。与单波长光源照明相比,宽带光源照明降低目标图像的亮度。因此,在某些需要更大视场和更远距离照明的场合中,采用单波长照明源结合晶体热梯度的技术比采用宽带光源更有优势。

图6 晶体热梯度的1.55um照明上转换器

3.3.3 晶体角度调谐

以往实现单色上转换成像的一个显著缺点是需要大量的后处理以获得大视场(FoV),这妨碍了它用于快速2D数据采集或实时视频帧速率成像。S.Junaid等人[33]首次提出了一种无需对图像进行后处理、以视频帧速率(40 Hz)工作、具有放大视场的单色中红外上转换成像系统。实验装置如图7[34]所示,其中皮秒OPO的闲频光束用作照明源,同步皮秒1064 nm激光源用作泵浦源。光束在空间和时间上重叠在非线性晶体(铌酸锂)中以实现高效的上转换。通过同步改变晶体相对于z轴的旋转角度和相机积分时间来扫描相位匹配条件。在他们的实验装置中,使用切向相位匹配应用1 °晶体角度调谐,在上转换图像中获得64 k像素,与非角度调谐装置相比,FoV增加了5倍,空间可分辨元素数量增加了25倍。

图7 基于晶体旋转上转换的成像装置

由于受到周期极化非线性晶体有限截面尺寸的限制,上转换成像系统的视场受到很大限制。为了在晶体有限通光孔径的前提下提高红外目标图像的视场,上述利用宽带光源(如热源、ASE等)、晶体热梯度和晶体旋转等技术手段是一种有效的尝试。其中晶体热梯度技术,可以采用相干照明以提高照明距离和上转换效率的同时扩大视场。除此之外,物体平面的空间平移[34]和使用微透镜阵列(MLAs)代替通常的宏观透镜[12]等方式也能实现上转换成像视场的增强。

3.4 其他上转换成像

利用腔增强可以获得接近100 %的频率上转换效率,然而,增强腔对谐振激光束起着空间滤波器的作用,只传输与腔的共振厄米-高斯本征模相对应的模式部分,其他的强度被反射回来。增强腔的滤波机制阻止了任何复杂图案的传输及其图像的上转换成像。

针对上转换成像技术中的增强腔的空间滤波作用,2018年,Santosh Kumar等人[35]在泵浦光和信号光路中分别加入空间光调制器,通过控制泵浦光的空间分布选择性地上转换信号光的空间模式,实验证明了通过非线性晶体实现复杂空间模式的选择性频率上转换。该方法可用于经典和量子通信中高阶模的空间模式解复用以及图像处理。

在集成上转换成像器件方面,2019年,Peng Bai,Yueheng Zhang等人[36]介绍了一种基于集成了P型GaAs同质结界面功函数内光电发射(HIWIP)探测器和用于无像素成像LED的太赫兹光子型上转换成像器件。与传统上转换器件相比,发光二极管的外量子效率提高了72.5 %,实现了1.14×10-2的峰值上转换效率。该工作提供了一种不同的太赫兹波段成像方案这种上转换成像器件有望在医疗保健、食品药品安全、无损检测以及国家安全等方面的获得广泛应用。

在微纳领域,上转换纳米颗粒通常将近红外光转换为可见光,在生物成像领域有着广阔的应用前景。2020年,李辉等人[37]描述了一种通过在808 nm处具有多种不同寿命的组织穿透上转换发光(UCL)的时域识别实现多路上转换活体成像的方法。四畴纳米结构设计能够以定义的方式操纵受限纳米畴内的能量迁移和上转换过程,从而在大动态范围内产生具有精确控制寿命的用于时域多色上转换成像的高效UCL。这种时间复用上转换方法,在活体成像和多级抗假冒技术中得到了证明,对高通量生物传感、容积显示和诊断治疗具有重要意义。

4 红外成像技术比较

红外或近红外波段的探测器是推动生物医学成像、国防军事、气体分析和量子信息等各个领域发展的重要动力。影响红外成像系统性能的参数主要有光谱响应范围、量子效率、视场、空间分辨率和噪声特性,表1给出了最新的热传感器、半导体探测器、超导探测器以及采用不同技术的上转换探测器的性能参数。

表1 直接与上转换红外成像技术比较

热释电红外传感器是基于光热效应的被动红外成像器件,通过感知材料温度的改变产生热电流实现热成像。虽然热释电红外探测器具有大视场、低成本和低能耗的优点,但是其响应速度慢、灵敏度低,因此只能用于精度和速度要求不高的场合。

目前技术比较成熟的用于红外成像的半导体探测器主要有InAs雪崩二极管阵列和InGaAs/InP焦平面阵列。InAs雪崩二极管阵列基于雪崩效应,具有量子效率高、灵敏度高的优点,然而对制冷和操作精密度要求较高。已经证明了光子计数雪崩光电二极管的大阵列,但是材料和其他限制限制了它们的探测效率、速度和暗计数率。2018年,美国UTC Aerospace Systems公司推出的1280×1024像素短波红外的InGaAs焦平面阵列在光谱范围、量子效率和分辨率方面具有卓越的性能,但是该产品受到美国相关部门的出口限制。超导纳米线探测器具有高灵敏度和快速响应的特点,由于需要亚K制冷,工作速度相对较低,并且亚K工作温度使大型阵列极为复杂,成本高昂。

上转换探测器是结合了可见光光子探测器的优良性能的一种红外成像新手段。采用宽带泵浦、晶体热梯度、晶体旋转以及非共线准相位匹配等技术使上转换探成像的视场最大达到了8°。利用内腔增强周期极化晶体中准相位匹配的方式,极大地提高了红外目标图像的转换效率。目前结合可见光高性能的光子探测器和CCD传感器,具有10×10像素空间分辨率的上转换成像系统的总体效率可达25 %,并且较高的转换效率使弱红外目标的检测成像成为可能。

相对于那些依赖于低温甚至是超低温冷却的商用红外探测器,红外上转换成像系统的优势是不需要冷却的前提下能够提供较高的灵敏度,并且能够实现较高的空间分辨率和较大的视场。因此,红外上转换成像系统适用于低光子成像、量子成像、显微镜装置中的高分辨率二维成像到多维成像等各种成像领域。随着新的应用、跨学科研究和技术跨越式发展,上转换成像系统的光谱响应将会向紫外和中远红外更广的波段延伸,并可能在未来几年产生更多有价值的科学成果。

5 总结与展望

红外上转换成像是将红外或近红外光照射的目标图像通过非线性频率转换为可将光,并用在可见光波段具有高性能的CCD等光电传感器进行探测成像的一种有效技术途径,在生物医学成像、国防军事、气体分析和量子信息等诸多领域具有广泛地应用前景。红外上转换成像技术有效克服了用于直接红外或近红外成像过程的光电探测器量子效率低、响应慢、暗噪声大以及需要低温甚至是超低温冷却等缺点,在提高了红外成像系统的性能的同时可以降低系统的体积、复杂度和成本。图像视场和空间分辨率、系统的噪声特性和成本是影响红外上转换成像系统的实际应用的关键参数。本文首先介绍了红外上转换成像技术的原理,随后分别介绍了目前国内外在上转换图像视场、空间分辨率、上转换效率、噪声和成本等方面的研究进展,并对近几年发展起来的具有针对性的上转换成像系统与直接红外成像系统进行了对比,本文旨在对上转换成像技术研究的近况进行简单的评述,对新的上转换实验系统研发具有重要参考意义。

随着性能更佳的非线性晶体出现和其他非线性材料的应用,腔增强技术的优化,结合现代CCD相机技术以及可见光子计数阵列的发展,红外上转换成像技术将在高转换效率、高空间分辨率、大视场和低暗噪声等性能方面具有更大的突破。上转换成像技术除了目前广泛应用于红外或者近红外光谱成像领域之外,还将扩展到紫外或者中远红外波段。并且,上转换纳米材料的应用推动着上转换成像系统向着微细化、集成化的方向发展。