基于激光頻率變換技術(shù)的中紅外探測系統(tǒng) （沈陽自動化所供圖）

1月25日，《中國科學(xué)報》從沈陽自動化研究所（以下簡稱：沈陽自動化所）獲悉，該所太赫茲團(tuán)隊(duì)在紅外探測領(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，對納秒脈沖的探測靈敏度指標(biāo)達(dá)到水平，且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的國產(chǎn)化。相關(guān)成果1月20日發(fā)表于《光學(xué)》（Optica）。

據(jù)了解，相對于傳統(tǒng)的可見光、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量的信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)成分的有效識別。中紅外探測技術(shù)對于推動生命科學(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)前的中紅外探測主要采用熱探測和光電探測兩種直接探測手段，現(xiàn)有性能已難以滿足科學(xué)家們對微量物質(zhì)的精準(zhǔn)檢測的需求，探測靈敏度已成為中紅外系統(tǒng)的瓶頸問題。

太赫茲團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、沈陽自動化所研究員祁峰介紹：“為此，我們提出基于激光頻率變換技術(shù)的解決方案，設(shè)計并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其工作原理是將弱中紅外信號高效率地轉(zhuǎn)換為近紅外信號，該近紅外光攜帶了中紅外光的信息且易于探測，通過這種間接探測的方式大幅度提高中紅外信號的探測靈敏度。”

經(jīng)過深入分析研究多種晶體的光學(xué)特性，太赫茲團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定在硒鎵鋇晶體。該晶體由論文作者之一、理化技術(shù)研究所研究員姚吉勇帶領(lǐng)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，將它作為探測系統(tǒng)的一部分，在掌握其光學(xué)特性的基礎(chǔ)上設(shè)計了高性能光參量振蕩器，優(yōu)化了相位匹配條件，解決了弱信號環(huán)境下的強(qiáng)背景噪聲抑制等問題，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)一體的中紅外系統(tǒng)。”祁峰說。

硒鎵鋇晶體基于激光頻率變換技術(shù)的中紅外探測系統(tǒng) （沈陽自動化所供圖）

研究團(tuán)隊(duì)通過對納秒級脈沖的實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)目前可達(dá)到的探測靈敏度優(yōu)于碲鎘汞探測器100倍，實(shí)現(xiàn)了飛焦級納秒脈沖的有效探測；系統(tǒng)的動態(tài)范圍超過110 分貝，在寬頻范圍內(nèi)的均勻響應(yīng)可達(dá)到1.4個倍頻程。祁峰指出，“上述兩指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的直接探測系統(tǒng)。”

科研人員測試基于激光頻率變換技術(shù)的中紅外探測系統(tǒng) （沈陽自動化所供圖）

太赫茲團(tuán)隊(duì)來自光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室主任、沈陽自動化所所長史澤林表示，實(shí)驗(yàn)室始終面向?qū)嶋H需求開展光電探測研究問題，探測新機(jī)理和新方法，攻克科學(xué)研究中遇到的問題。“這項(xiàng)高靈敏度中紅外探測研究就比較典型，如果靈敏度取得數(shù)量級的提升，就可能給生物、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域帶來新的科學(xué)研究手段，讓原來辦不到的事情變得可能。”

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