基于激光頻率變換技術(shù)的中紅外探測(cè)系統(tǒng)

1月25日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所發(fā)布消息稱，太赫茲團(tuán)隊(duì)在紅外探測(cè)領(lǐng)域取得了關(guān)鍵技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了基于硒鎵鋇晶體的3-8微米中紅外高靈敏探測(cè)，對(duì)納秒脈沖的探測(cè)靈敏度指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。該技術(shù)將為我國(guó)在生物、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域開(kāi)展前沿科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的探測(cè)工具，相關(guān)成果于1月20日刊發(fā)于最新一期國(guó)際光學(xué)權(quán)威期刊《光學(xué)》（Optica）。

相對(duì)于傳統(tǒng)的可見(jiàn)光近紅外波段，中紅外光與分子之間的共振現(xiàn)象可大幅度提高光譜測(cè)量的信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分的有效識(shí)別。中紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)生命科學(xué)、物性分析等科學(xué)探索，以及環(huán)保、化工行業(yè)、醫(yī)學(xué)診斷等實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。當(dāng)前的中紅外探測(cè)主要采用熱探測(cè)和光電探測(cè)兩種直接探測(cè)手段，現(xiàn)有性能已難以滿足科學(xué)家們對(duì)微量物質(zhì)的精準(zhǔn)檢測(cè)的需求，探測(cè)靈敏度已成為中紅外系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、沈陽(yáng)自動(dòng)化所祁峰研究員介紹稱，“針對(duì)當(dāng)前中紅外探測(cè)的瓶頸問(wèn)題，我們提出了基于激光頻率變換技術(shù)的解決方案，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其工作原理是將弱中紅外信號(hào)高效率地轉(zhuǎn)換為近紅外信號(hào)，該近紅外光攜帶了中紅外光的信息且易于探測(cè)，通過(guò)這種間接探測(cè)的方式大幅度提高中紅外信號(hào)的探測(cè)靈敏度。”

經(jīng)過(guò)深入分析研究多種晶體的光學(xué)特性，科研團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定在硒鎵鋇晶體，該晶體由中科院理化所姚吉勇團(tuán)隊(duì)研制。“硒鎵鋇晶體通常是作為波源使用，我們大膽嘗試，將它作為探測(cè)系統(tǒng)的一部分，在掌握其光學(xué)特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高性能光參量振蕩器，優(yōu)化了相位匹配條件，解決了弱信號(hào)環(huán)境下的強(qiáng)背景噪聲抑制等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)一體的中紅外系統(tǒng)。”祁峰介紹稱。

硒鎵鋇晶體

通過(guò)對(duì)納秒級(jí)脈沖的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)目前可達(dá)到的探測(cè)靈敏度優(yōu)于碲鎘汞探測(cè)器100倍，實(shí)現(xiàn)了飛焦級(jí)納秒脈沖的有效探測(cè)；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)110 分貝，在寬頻范圍內(nèi)的均勻響應(yīng)可達(dá)到1.4個(gè)倍頻程，上述兩指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的直接探測(cè)系統(tǒng)。

科研人員在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展測(cè)試

沈陽(yáng)自動(dòng)化所所長(zhǎng)、中科院光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任史澤林說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)室始終面向?qū)嶋H需求開(kāi)展光電探測(cè)研究，也就是需求牽引、問(wèn)題導(dǎo)向。通過(guò)探測(cè)新機(jī)理、新方法，在一些難度很大的問(wèn)題上能夠有所突破，這就是我們實(shí)驗(yàn)室科研人員的追求。比如說(shuō)，這個(gè)高靈敏度紅外探測(cè)就比較典型，如果靈敏度取得數(shù)量級(jí)的提升，就可能會(huì)給生物、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域帶來(lái)新的科學(xué)手段，讓原來(lái)辦不到的事情變得可能。”