[IEEE 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 6微米波段超紧凑低噪声宽带上转换探测器

摘要： 最先进的室温中红外（MIR：2–15微米）直接探测器（如基于半导体的HgCdTe、PbS、PbSe和微测辐射热计）存在高背景噪声问题。低噪声检测需采用多级或低温制冷（-195°C）及完善屏蔽以避免温度波动[1]。这类系统往往结构复杂、体积庞大，难以广泛应用。由于MIR波段（特别是6微米附近）对生物分子（蛋白质、脂质）、组织（癌症、肿瘤）的光谱成像或环境污染物（CH4、NO、NO2、SO2）检测至关重要，亟需6微米范围的高分辨率光谱系统。传统HgCdTe或微测辐射热计阵列探测器的像素数通常仅数百个，难以满足快速高分辨率宽带光谱需求。本研究采用频率上转换探测技术（UCD）[2]解决该问题：在1.03微米强近红外（NIR）激光泵浦下，通过非线性晶体（AgGaS2）的参量频率转换将6微米MIR信号转换至1微米以下的NIR波段，同时保留MIR信号的光谱信息。上转换后使用标准硅基CCD光谱仪（2064像素）进行检测，从而无需复杂制冷即可实现高分辨率灵敏光谱测量。本上转换系统基于940纳米二极管泵浦的1.03微米Yb:YAG固态激光器，将非线性晶体AgGaS2（5×5×10 mm3块体）置于激光腔内以获取高腔内功率（图1(a)），该设计显著提升上转换效率。采用约800°C热源Globar作为6微米MIR照明光源，产生880纳米范围的上转换信号（图1(b)灰色区域）。相比先前研究[3]，本系统主要创新点为：（i）激光采用长波长泵浦（940纳米泵浦二极管波长大于上转换波长<900纳米），简化上转换信号光谱滤波；（ii）1.03微米激光腔仅4厘米长，使上转换?？樘寤?lt;10平方厘米；（iii）系统无需运动部件（图1(a)）。通过AgGaS2晶体II类双折射相位匹配，本系统在单次采集（50毫秒）内成功实现了6–6.8微米范围（800纳米带宽）的上转换，利用泵浦激光与MIR信号在晶体内的非共线相互作用获得宽频带检测能力。实验验证中测量了MIR输入端聚苯乙烯薄膜的吸收光谱（图1(b)），更多细节与结果将后续展示。我们认为该技术为分子指纹波段高分辨率光谱应用提供了一种小型化、低噪声、高效的上转换探测器解决方案。