據麥姆斯咨詢報道，近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室黃坤研究員與曾和平教授團隊在中紅外單光子測距方面取得進展，研制了具有單光子靈敏度、高測距分辨率和大動態范圍的中紅外上轉換激光測距系統。該系統利用非線性異步光學采樣技術，實現了高精度、高速率、大范圍的光學時間掃描，結合時間拉伸光子關聯探測方案，獲得了高靈敏、高分辨的單光子測距性能，為中遠紅外單光子測距與成像提供了有效途徑。

該成果以“High-resolution mid-infrared single-photon upconversion ranging”為題發表在Photonics Research期刊。華東師范大學為論文的第一完成單位，研究生姜淑紅為論文第一作者，黃坤研究員與曾和平教授為共同通訊作者。

研究背景

單光子激光測距技術在遠程遙感、衛星跟蹤及微光偵測等領域具有廣泛應用。長期以來，該技術主要局限在可見或近紅外波段。中紅外波段涵蓋了大氣多個透射窗口，具有良好的抗散射能力，且位于眾多分子的指紋光譜區，在環境大氣光譜監測方面具有重要應用。鑒于此，將單光子測距技術拓展至中紅外波段已成為該領域的研究前沿。然而，現有中紅外探測器在室溫下暗噪聲較大，且探測帶寬受限，實現超靈敏與高分辨的距離測量仍頗具挑戰。因此，亟待發展新型紅外光子測控技術，以克服紅外光場在高探測靈敏度與高時間分辨率方面的長期難題，從而滿足稀疏光子場景下中紅外高精度測距與成像的迫切需求。

為此，非線性上轉換探測技術有望提供解決之道，通過非線性和頻過程將中紅外光場上轉換至可見或近紅外波段，進而利用高性能硅基探測器完成對信號的靈敏與精確捕獲。當前，在連續光泵浦的上轉換測距方案中，軸向分辨率受限于探測器的時間抖動，通常在亞厘米量級。而同步脈沖泵浦的上轉換測距方案，盡管消除了探測器時間抖動的限制，可將軸向分辨率提升至微米水平，但其采用機械掃描作為光延遲手段，難以滿足大范圍與高速率的測量需求。

近年來，雙光梳測距技術以其高精度和大量程的優勢在測距領域得到廣泛應用。目前，該技術主要被應用于近紅外波段，將其拓展到中紅外面臨諸多挑戰。在光源方面，制備出具有高功率、高相干的中紅外光源仍頗具難度；在探測方面，高靈敏、大帶寬的室溫紅外探測器尚無法獲取；在數據處理方面，需要進行傅里葉變換或希爾伯特變換提取時間信息，增加了數據處理的復雜度。因此，雙光梳技術在中紅外距離測量中的應用仍待進一步探索。

創新研究

研究團隊提出并研制了基于異步上轉換采樣的高分辨中紅外單光子測距系統，實現了具備單光子靈敏度、皮秒時間分辨率和寬掃描范圍的中紅外激光測距性能。該方法的核心在于異步脈沖泵浦的非線性上轉換探測，其基本原理如圖1所示。

圖1基于異步上轉換采樣的中紅外測距原理圖

具體來說，攜帶距離信息的中紅外脈沖在非線性晶體中被重頻與之相差1 kHz的近紅外泵浦脈沖采樣，并轉換至可見光波段。得益于二者間的重頻差，兩脈沖在時域上能夠自發實現掃描，并產生周期為1 ms的和頻信號。全光掃描過程所獲得的最大延時量可達46.45 ns（由重復頻率決定），相當于自由空間中7 m長的延遲線，克服了同步脈沖泵浦上轉換方案中機械延遲線掃描范圍有限的不足（通常幾十厘米），可實現大范圍內中紅外高速測距。此外，這一過程將互相關軌跡在時域上拉伸了2×10?倍，利用低帶寬硅基單光子探測器即可實現對中紅外信號的高靈敏與高精度探測。所采用的實驗裝置如圖2所示。

圖2中紅外上轉換單光子測距實驗裝置圖

進一步地，結合時間相關單光子計數技術，可實現對中紅外光子的高靈敏與高精度測量。為模擬少光子場景，實驗采用中性濾波片對中紅外光進行衰減，圖3(a)為對應探測端光子數為8×10?? 光子/脈沖時中紅外上轉換信號的直方圖，脈沖時間寬度在213 ns，遠大于圖3(b)中單光子探測器自身的時間抖動830 ps。利用異步采樣的放大因子，可以得到有效測距分辨率為9.9 ps，比單光子探測器自身時間抖動低兩個數量級。測距精度由圖3(c)艾倫方差表示，當平均時間為64 s時，可以達到4 μm。所采用的時間拉伸單光子計數技術克服了單光子探測器固有的時間抖動，可獲得傳統飛行時間單光子測距系統無法達到的精度。

圖3 基于時間相關單光子計數的高靈敏中紅外測距

總結與展望

這項研究創新結合了異步光學采樣與上轉換探測技術，實現了紅外光子高精度與高靈敏探測，解決了將單光子測距技術拓展至中紅外波段面臨的長期難題。未來，可以使用更短泵浦脈沖以提高測距分辨率，同時適當增加雙色激光器的重復頻率和重頻差，獲得更高刷新率和更精細的掃描步長。此外，該方法有望擴展至長波紅外或太赫茲波段，以滿足高靈敏和高分辨的距離或深度測量需求，為紅外遙感、光子測繪、形貌表征等領域提供支撐。