山西大学ACS Photonics：基于频谱迁移的中红外空间分辨探测

导读  

中红外探测在环境监测、遥感探测、自由空间通信及国防安全等前沿领域具有广阔的应用前景，特别是通过高精度的空间分析实现对目标的识别、定位和跟踪的研究领域至关重要。现有的测量技术大多依赖于几何光学原理，采用的光学装置结构相对复杂，在系统集成和灵活操控方面存在一定的局限性，尤其对中红外波段的兼容性表现出明显的不足。随着中红外探测对高灵敏度、高精度和高稳定性的需求不断增长，如何实现高效探测和高精密分析中红外信号的空间信息已成为当前空间光学领域亟需突破的重要科学问题。

近年来，研究团队利用基于非线性频率转换的频谱迁移探测技术发展了一种高效分析中红外信号的方法，通过相位匹配机制的空间角度选择特性有效弥补了直接测量方法的局限性。相比于非线性晶体，碱金属原子作为一种纯净无杂的非线性介质，具有量子效率高、能级丰富、频率调谐范围宽等优势，是实现中红外信号分析的理想实验平台。非共线构型下的多波混频技术不仅将中红外空间信息精准映射至可见光波段，而且具备自校准机制，显著提升了系统测量的稳定性。因此，基于原子介质的非线性频率转换技术为突破中红外高精度空间分辨的瓶颈问题提供了一种可行的解决方案。

研究团队以⁸⁵Rb原子的5S_1/2-5P_3/2-5D_5/2-6P_3/2钻石型能级构建了基于非共线相位匹配的中红外空间分辨测量系统，将目标探测的中红外空间信息成功映射到可见光波段。根据系统中所有参与光束的矢量关系，利用质心提取算法分析投影面内信号光束的空间位置，进而反演目标中红外光束的方位角和俯仰角，并通过长时间的实时测量成功验证了该测量系统的有效性和稳定性。

图2 (a) 不同频率失谐下产生的参考光束r和信号光束s，(b) 参考光束和信号光束质心位置与频率失谐的关系。

实验上同时构建了两个四波混频过程，其中自发诱导的自种子四波混频过程所产生的420 nm光束作为一个稳定的参考信号，对空间分辨测量系统进行实时校准；中红外目标光束的方位角和俯仰角通过高精度的位移系统控制，进而诱导种子四波混频过程产生420 nm信号光束。针对质心识别过程中光束模式重叠导致的不确定性，系统研究了泵浦光束频率失谐对参考光束和信号光束空间位置的影响，结果表明自种子四波混频过程的效率可以通过调控泵浦光束的频率进行抑制，进而有效分离出信号光束。

图3 (a) 中红外目标光束的轨迹分布；(b) 信号光束的轨迹分布。

为了研究中红外目标光束和信号光束空间角度的关联特性，在平面内逐点扫描中红外目标光束获得相应的信号光束，利用质心识别算法得到一一对应的轨迹分布。进一步以第一象限为例定量分析了中红外目标光束和信号光束的方位角和俯仰角，两者呈现出近似线性的依赖关系，比例因子约等于λ₄₂₀/λ₅₂₃₃ ≈ 0.08。考虑到实验系统的机械误差、折射效应以及分辨率的限制后，该系统可以实现绝对误差小于0.76′，并且在连续4.5小时内的不稳定性小于0.12′的空间分辨测量。

图4 (a) 中红外目标光束的方位角和俯仰角；(b) 信号光束的方位角和俯仰角；(c) 中红外目标光束与信号光束方位角的依赖关系；(d) 中红外目标光束与信号光束俯仰角的依赖关系；(e) 系统稳定性测试。