基于参量上转换的被动红外成像系统

1.本发明涉及红外探测技术领域，具体而言，涉及一种基于参量上转换的被动红外成像系统。


背景技术：

2.一切温度高于绝对零度的物体都可以自发的向外辐射出电磁波，这种自发辐射也被称为热辐射，常温物体的热辐射能量主要集中于波长较长的红外波段。被动红外成像主要就是指通过测量物体自发辐照出的红外光进行成像，与可见、近红外波段相比，对于常温黑体辐射发射出的中红外波段的研究和应用仍相对滞后，缺乏高灵敏、大阵列的成像器件。
3.目前，被动红外成像主要通过热敏器件实现，它们主要利用红外辐射的热效应来改变器件的电学特性来进行探测成像。然而，热敏器件的灵敏度往往较低，不适用于对精度需求较高的环境。半导体光敏器件，如碲镉汞探测器等，在实际使用中不仅需要超低温制冷，并且其大规模成像阵列难以实现，成本高昂。
4.参量上转换是通过光学非线性效应，将频率较低的中远红外光转换到高频的近红外、可见光波段。近红外、可见光波段有着价格低廉、性能优越、探测灵敏度可达单光子级别的探测器件。然而，现有的参量转换大多通过非线性晶体实现，为了提高转换效率，往往采用脉冲光的形式对成像物体进行照射来测量反射光，不适用于红外被动成像。此外，成像的视场大小、形状、质量等受限于相位匹配条件，很难做到高效、完整的红外成像。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种基于参量上转换的被动红外成像系统，不但实现了对物体中远红外自发辐照光常温下的高灵敏被动成像，还具有可集成性强，成像不受探测器阵列大小影响的优势。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种基于参量上转换的被动红外成像系统，包括：泵浦激光器，通过光纤与回音壁模式微腔芯片的输入端连接，用于输出泵浦光；热辐射调制组件，通过光纤与回音壁模式微腔芯片的输入端连接，用于接收和调制待成像物体的辐射光，并向回音壁模式微腔芯片输出调制信号光；光学滤波器，通过光纤与回音壁模式微腔芯片的输出端连接；光电探测器，连接光学滤波器的输出端，用于检测回音壁模式微腔芯片的输出信号以生成光强信息；回音壁模式微腔芯片接收泵浦光和调制信号光，在腔体内部依靠非线性光学中的二阶和频效应生成上转换光；控制与计算成像模块，连接热辐射调制组件以及光电探测器的输出端，用于控制热辐射调制组件的调制过程并接收相应的光强信息，以获取单像素上转换光强度信息并进行红外图像重构。
7.在该技术方案中，系统包括两个光通路：光路一的光源为泵浦激光器，通过光纤依次与回音壁模式微腔芯片，光学滤波器，光电探测器连接；光路二则是待成像物体所发出的红外辐射光，红外辐射光经过热辐射调制组件调制后进入中红外光纤中，最终红外辐射光耦合进入回音壁模式微腔芯片上的波导中，与泵浦光在微腔中发生非线性频率转换产生出
高频率的上转换光。其中，光场通过透镜光纤耦合进出微腔芯片。控制与计算成像模块依据预置程序控制调制过程，并接收光电探测器测量得到的上转换光强度信息，最终通过计算得出物体的红外辐射图像。该系统以回音壁模式微腔作为非线性光学平台，将待测物体热辐射发出的中红外光经空间调制后与近红外或可见光波段的泵浦光一同注入到微腔中。然后，在腔体内通过非线性光学中的二阶和频效应将待测中红外光转换为近红外或可见光波段的上转换光。接着经过滤波处理，利用光电探测器获取上转换光的强度。每次测量会获取某一空间调制态下的上转换光强度，也就是单一像素的强度信息。通过特定规律编制多种调制态，并执行多态扫描，获取多个单像素强度信息，最终通过计算重构出具有空间分辨率的物体红外图像。
8.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，热辐射调制组件具体包括：光学成像与滤波镜组，接收待成像物体的辐射光；空间光调制器，根据控制与计算成像模块的控制信号对辐射光进行调制；聚焦透镜，汇聚空间光调制器的输出光。
9.在该技术方案中，泵浦激光器通过透镜光纤将泵浦光注入到芯片上的一路波导中，然后以倏逝场耦合的方式进入到环形微腔中，待成像物体发出的热辐射信号光则先通过滤波镜组过滤掉背景噪声，选出测量谱段的光场，然后经由空间光调制器对二维的信号光场进行可编程的二进制掩码调制，用来构造检测到的单像素图像强度。接着，空间光场由聚焦透镜汇聚进入到中红外光纤中，经由中红外透镜光纤耦合进入芯片上的另一路中红外波导中，最终也通过倏逝场耦合的方式进入到微腔中。
10.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，红外图像重构的步骤具体包括：在保持泵浦光功率不变的情况下，对辐射光光场进行不同的掩膜编码，并获取对应掩膜编码的单像素上转换光强度信息，以表征该掩膜编码下的二维辐射光光场单像素强度；假设待成像物体的像素化图像i在某个基r中有一个稀疏表示，图像i表示为：
11.i＝rt
12.其中，t是一个系数的集合，基r是一个被认为适合图像的预期空间性质的基，包括小波基、傅里叶基或离散余弦基；
13.单像素强度矩阵s为：
14.s＝pi
15.其中，p为加载在空间光调制器上的二进制基，且prt＝s；
16.通过计算重构出的像素化图像i
*
就可以表示为
17.i
*
＝rt
*
18.式中的t
*
满足下述关系：
19.t
*
＝argmin||t||1。
20.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，生成上转换光的步骤具体包括：根据调制信号光波长与泵浦光波长确定微腔的几何结构和光场的模式分布，使得光场的频率与模式有效折射率满足如下关系式：
21.ωs+ω
p
＝ω
up
22.nsωs+n
p
ω
p
＝n
up
ω
up
23.其中，ωs、ω
p
、ω
up
为调制信号光、泵浦光、上转换光的频率，对应光模式的有效折射率则分别记为ns、n
p
、n
up
。
24.在该技术方案中，微腔中的光场满足一定的条件便可高效率地发生三波混频中的和频效应。首先，注入的信号光、泵浦光与生成的上转换光都需要近似满足微腔的谐振条件，即光波长的整数倍等于对应波长下腔内环绕一周的光程长。微腔单一谐振峰具有一定的带宽，带宽的大小和微腔的q值成反比，在一定带宽内都可与微腔谐振，只是光场的损耗大小不同，所以谐振条件并不需要非常严格的完美满足。第二，参量转换需要满足能量守恒关系，高效率转换的发生需要满足相位匹配。
25.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，回音壁模式微腔芯片包括微环腔结构，微环腔结构为等腰梯形的砷化镓波导，波导截面尺寸为下底10μm，高3μm，梯形楔角为60
°
，微腔半径50μm～1500μm。
26.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，回音壁模式微腔芯片的制备过程包括：在500μm厚的gaas基底上依次生长10μm厚的al
0.8
ga
0.2
as层与3μm厚的gaas薄膜；将芯片等离子体活化，接着将gaas薄膜层粘接在厚度为3μm的热硅晶片表面的sio2层上；通过机械打磨和化学蚀刻去除gaas基底与al
0.8
ga
0.2
as层；在gaas薄膜层上沉积sio2，并通过显影技术将腔体几何形状写入到沉积的sio2层上；通过化学腐蚀去除多余的sio2与gaas，楔角大小通过腐蚀时间和剂量大小控制；在样品上沉积另外一层sio2，以使gaas的环形腔体整体被sio2包裹。
27.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，空间光调制器为1024
×
768个紧密排列的镜子阵列所组成的数位微镜装置。
28.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，泵浦光为单频率连续光，波长位于近红外或可见光波段。
29.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，光电探测器的工作波段为可见光波段或近红外光波段。
30.根据本发明提供的基于参量上转换的被动红外成像系统，优选地，光学滤波器为光纤布拉格光栅。
31.本发明取得的有益效果至少包括：
32.(1)将gaas薄膜加工为回音壁模式微腔的工艺已比较成熟，光学平台易于以现有技术手段制备。
33.(2)系统具有片上集成的潜力，有利于实现小型化、便携性的高灵敏红外被动成像系统。
34.(3)采用非线性参量上转换与具有高灵敏度的商业近红外、可见光探测器相结合的方案，可在常温下进行探测成像，避免了传统中红外高灵敏探测器件需要超低温制冷的问题，无需大体积的温控与冷却装置，成本降低。
35.(4)使用回音壁模式微腔作为非线性平台，其超高的q值和极大的光场能量密度，使得参量上转换效应发生所需的功率阈值得到了显著降低，与使用非线性晶体进行上转换往往需要使用脉冲光源进行辐照不同，本方案可对物体自发辐射的连续波进行转换，实现被动成像。
36.(5)利用空间光调制器与算法解调，实现单像素成像，与微腔参量上转换相兼容，无需大规模成像阵列，避免了当前中红外波段缺乏大规模探测器阵列的问题。
附图说明
37.图1示出了根据本发明实施例的基于参量上转换的被动红外成像系统的结构示意图。
38.图2示出了根据本发明实施例的仿真结果图。
具体实施方式
39.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.如图1所示，本发明提供了一种基于参量上转换的被动红外成像系统，包括：泵浦激光器(1)，待成像物体(2)，光学成像与滤波镜组(3)，空间光调制器(4)，聚焦透镜(5)，回音壁模式微腔芯片(6)，光学滤波器(7)，光电探测器(8)，控制与计算成像模块(9)。
42.在该实施例中，泵浦激光器的输出激光为单频率连续光，波长位于近红外、可见光波段，优选输出波长为1550nm。空间光调制器优选为1024
×
768个紧密排列的镜子阵列所组成的数位微镜装置。回音壁模式微环腔优选设计为等腰梯形的砷化镓(gaas)波导，波导优选截面尺寸为下底10μm，高3μm，梯形楔角为60
°
，微腔半径50到1500μm。光电探测器的工作波段为可见光或近红外光波段，优选为铟镓砷(ingaas)探测器。控制与计算成像模块可由定制的电子计算芯片实现相关功能，从而使整个系统可实现较高的集成化与便携性。
43.泵浦激光器为连续波激光器，与光纤连接，使用中发出较高功率的单频近红外或可见光，通过透镜光纤将泵浦光注入到微腔芯片上的一路波导中，然后以倏逝场耦合的方式进入到环形微腔中。待成像物体发出的热辐射信号光则先通过滤波镜组过滤掉背景噪声，选出测量谱段的光场，然后经由空间光调制器对二维的信号光场进行可编程的二进制掩码调制，用来构造检测到的单像素图像强度。接着，空间光场由聚焦透镜汇聚进入到中红外光纤中，经由中红外透镜光纤耦合进入微腔芯片上的另一路中红外波导中，最终也通过倏逝场耦合的方式进入到微腔中。此时，微腔中的光场满足一定的条件便可高效率地发生三波混频中的和频效应。首先，注入的信号光、泵浦光与生成的上转换光都需要近似满足微腔的谐振条件，即光波长的整数倍等于对应波长下腔内环绕一周的光程长。微腔单一谐振峰具有一定的带宽，带宽的大小和微腔的q值成反比，在一定带宽内都可与微腔谐振，只是光场的损耗大小不同，所以谐振条件并不需要非常严格的完美满足。第二，参量转换需要满足能量守恒关系，高效率转换的发生需要满足相位匹配。设信号光、泵浦光与上转换光的频率分别为ωs、ω
p
、ω
up
，对应光模式的有效折射率分别为ns、n
p
、n
up
，则限制条件可表示为：
44.ωs+ω
p
＝ω
up
45.nsωs+n
p
ω
p
＝n
up
ω
up
46.因此，我们要根据上述两个方程，结合拟转换的信号光与泵浦光波长，通过仿真计
算的方式确定微腔的几何结构和各个光场的模式分布，使得三光场的频率与模式有效折射率满足上述关系。
47.如图2所示，给出了一个满足能量守恒和几乎完美相位匹配关系的gaas微腔模式场能量分布的有限元仿真结果。图形示出了一个半径为200μm的gaas波导微腔沿径向的横截面，为一等腰梯形。梯形几何尺寸为下底10μm，高3μm，楔角为60
°
。图2中(a)、(b)、(c)三个部分分别是待测信号光、泵浦光、上转换光模式的电场强度分布，颜色越深意味着相对电场强度越强。三者的光波长分别为5.1980μm、1.5497μm与1.1938μm，对应仿真计算出的等效折射率分别为3.2595、3.4825、3.4318。
48.通过参量上转换过程在微腔中形成的上转换光与泵浦光同样在近红外或可见光波段，可由泵浦光一路的波导耦合出微腔，接着再经由透镜光纤收集进入光纤后传输到光学滤波器，光学滤波器可选用光纤布拉格光栅，它将上转换光外的其他波长的光滤除。得到的低噪声上转换光最终由光电探测器所接受并测量出单像素的光场强度信息。
49.控制与计算成像模块则控制空间光调制器对信号光场进行不同的掩膜编码，并接受光电探测器获取的对应掩膜编码的单像素上转换光强度信息。在保持泵浦光功率不变的情况下，生成的上转换光强度会与注入的信号光强度呈一定比例，因此测量得到的上转换光强度就可表征该掩膜编码下二维信号光场的单像素强度。
50.假设拟测量的物体像素化图像i在某个基r中有一个稀疏表示，这样，图像i可以表示为：
51.i＝rt
52.t是一个系数的集合，这里选择的基r是一个被认为适合图像的预期空间性质的基，例如小波基、傅里叶基或离散余弦基。在实际测量中，我们得到的单像素强度矩阵s可以表示为：
53.s＝pi
54.其中p为加载在空间光调制器上的二进制基，有prt＝s。因此，通过计算重构出的像素化图像i
*
就可以表示为：
55.i
*
＝rt
*
56.式中的t
*
满足下述关系：
57.t
*
＝argmin||t||158.根据上述数学关系，就可根据测量得出的单像素强度矩阵s重构出物体的红外图像，实现物体的被动红外成像。
59.本发明的又一个实施例还公开了回音壁模式微腔芯片制备的具体步骤：gaas微腔芯片采用由金属有机化学气相沉积技术制备的晶圆片制作。芯片优选制作方式为：第一步，在500μm厚的gaas基底上依次生长10μm厚的al
0.8
ga
0.2
as层与3μm厚的gaas薄膜；第二步，将芯片等离子体活化，接着将gaas薄膜层粘接在厚度为3μm的热硅晶片表面的sio2层上；第三步，通过机械打磨和化学蚀刻去除gaas基底与al
0.8
ga
0.2
as层；第四步，在gaas薄膜层上沉积sio2，并通过显影技术将腔体几何形状写入到沉积的sio2层上；第五步，通过化学腐蚀去除多余的sio2与gaas，楔角大小通过腐蚀时间和剂量大小控制；第六步，在样品上沉积另外一层sio2，这样gaas的环形腔体便整体被sio2所包裹，具有较高的稳定性。
60.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，包括：泵浦激光器，通过光纤与回音壁模式微腔芯片的输入端连接，用于输出泵浦光；热辐射调制组件，通过光纤与所述回音壁模式微腔芯片的输入端连接，用于接收和调制待成像物体的辐射光，并向所述回音壁模式微腔芯片输出调制信号光；光学滤波器，通过光纤与所述回音壁模式微腔芯片的输出端连接；光电探测器，连接所述光学滤波器的输出端，用于检测所述回音壁模式微腔芯片的输出信号以生成光强信息；所述回音壁模式微腔芯片接收所述泵浦光和所述调制信号光，在腔体内部依靠非线性光学中的二阶和频效应生成上转换光；控制与计算成像模块，连接所述热辐射调制组件以及所述光电探测器的输出端，用于控制所述热辐射调制组件的调制过程并接收相应的所述光强信息，以获取单像素上转换光强度信息并进行红外图像重构。2.根据权利要求1所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述热辐射调制组件具体包括：光学成像与滤波镜组，接收所述待成像物体的辐射光；空间光调制器，根据所述控制与计算成像模块的控制信号对所述辐射光进行调制；聚焦透镜，汇聚所述空间光调制器的输出光。3.根据权利要求1所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述红外图像重构的步骤具体包括：在保持泵浦光功率不变的情况下，对辐射光光场进行不同的掩膜编码，并获取对应掩膜编码的单像素上转换光强度信息，以表征该掩膜编码下的二维辐射光光场单像素强度；假设待成像物体的像素化图像i在某个基r中有一个稀疏表示，图像i表示为：i＝rt其中，t是一个系数的集合，基r是一个被认为适合图像的预期空间性质的基，包括小波基、傅里叶基或离散余弦基；单像素强度矩阵s为：s＝pi其中，p为加载在空间光调制器上的二进制基，且prt＝s；通过计算重构出的像素化图像i
*
就可以表示为i
*
＝rt
*
式中的t
*
满足下述关系：t
*
＝argmin||t||1。4.根据权利要求1所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，生成上转换光的步骤具体包括：根据调制信号光波长与泵浦光波长确定微腔的几何结构和光场的模式分布，使得光场的频率与模式有效折射率满足如下关系式：ω
s
+ω
p
＝ω
up
n
s
ω
s
+n
p
ω
p
＝n
up
ω
up
其中，ω
s
、ω
p
、ω
up
为调制信号光、泵浦光、上转换光的频率，对应光模式的有效折射率
则分别记为n
s
、n
p
、n
up
。5.根据权利要求1所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述回音壁模式微腔芯片包括微环腔结构，所述微环腔结构为等腰梯形的砷化镓波导，波导截面尺寸为下底10μm，高3μm，梯形楔角为60
°
，微腔半径50μm～1500μm。6.根据权利要求5所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述回音壁模式微腔芯片的制备过程包括：在500μm厚的gaas基底上依次生长10μm厚的al
0.8
ga
0.2
as层与3μm厚的gaas薄膜；将芯片等离子体活化，接着将gaas薄膜层粘接在厚度为3μm的热硅晶片表面的sio2层上；通过机械打磨和化学蚀刻去除gaas基底与al
0.8
ga
0.2
as层；在gaas薄膜层上沉积sio2，并通过显影技术将腔体几何形状写入到沉积的sio2层上；通过化学腐蚀去除多余的sio2与gaas，楔角大小通过腐蚀时间和剂量大小控制；在样品上沉积另外一层sio2，以使gaas的环形腔体整体被sio2包裹。7.根据权利要求2所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述空间光调制器为紧密排列的镜子阵列所组成的数位微镜装置。8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述泵浦光为单频率连续光，波长位于近红外或可见光波段。9.根据权利要求1至7中任一项所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述光电探测器的工作波段为可见光波段或近红外光波段。10.根据权利要求1至7中任一项所述的基于参量上转换的被动红外成像系统，其特征在于，所述光学滤波器为光纤布拉格光栅。

技术总结
本发明提供了一种基于参量上转换的被动红外成像系统，涉及红外探测技术领域，包括：泵浦激光器，用于输出泵浦光；热辐射调制组件，用于接收和调制待成像物体的辐射光，并向回音壁模式微腔芯片输出调制信号光；光学滤波器；光电探测器，用于检测回音壁模式微腔芯片的输出信号以生成光强信息；回音壁模式微腔芯片生成上转换光；控制与计算成像模块，用于控制热辐射调制组件的调制过程并接收相应的光强信息，以获取单像素上转换光强度信息并进行红外图像重构。实现了对物体中远红外自发辐照光常温下的高灵敏被动成像，还具有可集成性强，成像不受探测器阵列大小影响的优势。不受探测器阵列大小影响的优势。不受探测器阵列大小影响的优势。


技术研发人员：张晓宝 常超 杨霄 王日德 罗治福 刘晓宇 娄菁 江润东
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/13