本發(fā)明屬于紅外光電探測，具體涉及一種基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法。
背景技術(shù)：
1、中波紅外(3-5μm)作為關(guān)鍵大氣窗口波段，憑借高透射率和低熱背景噪聲特性，在環(huán)境監(jiān)測、氣象觀測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器(如insb、hgcdte)受限于窄帶隙半導(dǎo)體材料固有缺陷：高暗電流和熱噪聲迫使探測器需低溫冷卻(～77k)運行，不僅增加系統(tǒng)復(fù)雜度，還導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、調(diào)諧范圍受限等問題。
2、基于非線性光學(xué)的頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)為此提供了新的方案，通過將中紅外信號轉(zhuǎn)換至可見/近紅外波段，結(jié)合高性能光譜儀及硅基探測器實現(xiàn)非低溫制冷工作模式下的靈敏檢測，顯著提升響應(yīng)速度與信噪比。但該技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)：受相位匹配機制影響，光譜響應(yīng)范圍難以覆蓋3-5μm全波段；通過溫度調(diào)諧響應(yīng)波長的方式存在范圍窄、速度慢的固有限制；更關(guān)鍵的是，極化周期與信號波長的非線性對應(yīng)關(guān)系會引發(fā)多個問題——探測系統(tǒng)的本征帶寬過寬，導(dǎo)致窄帶光譜分辨能力下降；以及單一極化周期對應(yīng)多信號波長導(dǎo)致的混合疊加。這些因素共同導(dǎo)致系統(tǒng)光譜分辨率與波長鑒別精度顯著劣化。
3、當(dāng)前研究亟需在突破傳統(tǒng)波長響應(yīng)范圍限制的同時實現(xiàn)光譜帶寬的精確約束，并有效改善波長選擇及快速動態(tài)調(diào)諧機制，這對提升復(fù)雜場景下的中紅外信息探測能力具有重要價值。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提出了針對現(xiàn)有技術(shù)不足之處，提出了一種基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，通過多極化周期非線性晶體設(shè)計實現(xiàn)3-5μm全波段調(diào)諧范圍，同時借助準(zhǔn)相位匹配與泵浦源優(yōu)化將瞬時光譜帶寬進行壓縮，達成寬全波段調(diào)諧范圍與窄瞬時光譜帶寬的動態(tài)平衡。
2、實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，步驟如下：
3、s1、搭建可調(diào)諧窄帶中波紅外探測系統(tǒng)：
4、所述可調(diào)諧窄帶中波紅外探測系統(tǒng)包括量子級聯(lián)激光器、第一濾光片、第一透鏡組、二向色鏡、半導(dǎo)體激光器、半波片、第二濾光片、反射鏡、第二透鏡組、非線性晶體、第三透鏡組、濾光組件、探測器、溫度控制模塊、機械運動模塊。
5、共第一光軸依次設(shè)置量子級聯(lián)激光器、第一濾光片、第一透鏡組、二向色鏡、非線性晶體、第三透鏡組、濾光組件、探測器；共第二光軸依次設(shè)置半導(dǎo)體激光器、半波片、第二濾光片、反射鏡；第二透鏡組設(shè)置在二向色鏡和反射鏡之間，自上而下依次固定非線性晶體、溫度控制模塊和機械運動模塊。
6、調(diào)節(jié)量子級聯(lián)激光器的功率，發(fā)出覆蓋3-5μm中紅外波段的信號光，經(jīng)由第一濾光片過濾雜光后，調(diào)節(jié)第一透鏡組壓縮信號光束腰至1mm以下，小于非線性晶體單個周期通道的尺寸，壓縮后的信號光被第一透鏡組會聚至二向色鏡。
7、調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的功率，發(fā)出中心波長為800nm的泵浦光，經(jīng)過半波片調(diào)整泵浦光的偏振狀態(tài)，將偏振狀態(tài)調(diào)整后的泵浦光送入第二濾光片，第二濾光片濾除雜散光以及背景光后的泵浦光送入反射鏡，反射鏡為800nm高反的平面鏡，將泵浦光反射至第二透鏡組，調(diào)節(jié)第二透鏡組壓縮泵浦光束腰至1mm以下，泵浦光經(jīng)第二透鏡組會聚至二向色鏡。
8、二向色鏡用于透射信號光以及反射泵浦光，將二者引導(dǎo)合束到非線性晶體，3-5μm的信號光與800nm泵浦光同時聚焦于非線性晶體中進行和頻生成，轉(zhuǎn)入s2。
9、s2、通過溫度控制模塊調(diào)節(jié)非線性晶體的工作溫度，適配非線性晶體(10)中不同極化周期通道的相位匹配曲線，避免不同功率泵浦與中紅外信號光持續(xù)照射下溫度波動而產(chǎn)生的相位失配，轉(zhuǎn)入s3。
10、s3、通過機械運動模塊實現(xiàn)非線性晶體的位移，使得經(jīng)過二向色鏡合束后的信號光與泵浦光共線對準(zhǔn)入射進非線性晶體中不同的極化周期通道，當(dāng)相位匹配時發(fā)生非線性頻率上轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與各通道極化周期所對應(yīng)的和頻光，從而實現(xiàn)寬光譜范圍信號光的靈活調(diào)諧，上述和頻光在可見光范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)入s4。
11、s4、調(diào)節(jié)第三透鏡組，將和頻光準(zhǔn)直輸出，經(jīng)由濾光組件去除未消耗的800nm泵浦光以及各類雜散光后，被探測器探測接收，轉(zhuǎn)入s5。
12、s5、探測器外接上位機，根據(jù)探測到的各波長對應(yīng)的強度信息獲得相應(yīng)曲線，生成不同極化周期的窄帶響應(yīng)特性。本發(fā)明的有益效果：
13、(1)基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測技術(shù)方案，采用共線準(zhǔn)相位匹配模式，通過非線性晶體實現(xiàn)中紅外波段光子至可見光波段光子的高效頻率上轉(zhuǎn)換。較傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器而言，可在室溫條件下工作，而無需低溫冷卻控制。同時上轉(zhuǎn)換可見光由高性能探測器進行探測，顯著提升了系統(tǒng)光譜分辨率以及探測靈敏度。
14、(2)采用多極化周期設(shè)計的周期極化鈮酸鋰晶體作為非線性介質(zhì)，全波段調(diào)諧范圍涵蓋整個中紅外波段。利用機械運動模塊進行位移，在保持高轉(zhuǎn)換效率的同時實現(xiàn)了靈活的可調(diào)諧窄帶探測，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定波長的選擇性響應(yīng)。
15、(3)采用高功率、窄線寬的連續(xù)型激光器作為泵浦源，其輸出的泵浦波長經(jīng)過精確調(diào)控始終處于相位匹配曲線的單調(diào)區(qū)間，只實現(xiàn)特定波長的響應(yīng)，將瞬時光譜帶寬進行壓縮。相較于常規(guī)泵浦方案，避免了長波泵浦引發(fā)的單一晶體極化周期對應(yīng)多信號波長的情況。達成寬全波段調(diào)諧范圍與窄瞬時光譜帶寬的動態(tài)平衡，確保了窄帶探測的精度。
1.一種基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s1中，濾光組件(12)由四片濾光片構(gòu)成，包括三片700nm短通濾光片，一片650nm帶通濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s1中，非線性晶體(10)采用多極化周期通道的周期極化鈮酸鋰晶體，內(nèi)部集成7個不同極化周期的通道，極化周期分別為14.9μm、16μm、16.6μm、17.2μm、17.5μm、17.8μm和17.9μm，每一個周期結(jié)構(gòu)都作為一個厚度為1mm的子通道覆蓋一個響應(yīng)波段，多通道集成下全波段調(diào)諧范圍涵蓋3-5um，實現(xiàn)中紅外寬譜探測；晶體表面鍍有增透膜，在3000-5000nm、800nm以及620-700nm具有高透射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s1中，探測器(13)采用硅基探測器或光譜儀，硅基探測器用于探測光強，光譜儀用于識別波長范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s2中，室溫指20～30℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s3中，滿足相位匹配條件，具體如下：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧窄帶中波紅外探測方法，其特征在于，s5中，探測器(13)外接上位機，根據(jù)探測到的各波長對應(yīng)的強度信息獲得相應(yīng)曲線，得到不同極化周期的窄帶響應(yīng)特性，具體如下：