高分辨中红外单光子测距系统原理分析

据麦姆斯咨询报道，近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室黄坤研究员与曾和平教授团队在中红外单光子测距方面取得进展，研制了具有单光子灵敏度、高测距分辨率和大动态范围的中红外上转换激光测距系统。该系统利用非线性异步光学采样技术，实现了高精度、高速率、大范围的光学时间扫描，结合时间拉伸光子关联探测方案，获得了高灵敏、高分辨的单光子测距性能，为中远红外单光子测距与成像提供了有效途径。

该成果以“High-resolution mid-infrared single-photon upconversion ranging”为题发表在Photonics Research期刊。华东师范大学为论文的第一完成单位，研究生姜淑红为论文第一作者，黄坤研究员与曾和平教授为共同通讯作者。

研究背景

单光子激光测距技术在远程遥感、卫星跟踪及微光侦测等领域具有广泛应用。长期以来，该技术主要局限在可见或近红外波段。中红外波段涵盖了大气多个透射窗口，具有良好的抗散射能力，且位于众多分子的指纹光谱区，在环境大气光谱监测方面具有重要应用。鉴于此，将单光子测距技术拓展至中红外波段已成为该领域的研究前沿。然而，现有中红外探测器在室温下暗噪声较大，且探测带宽受限，实现超灵敏与高分辨的距离测量仍颇具挑战。因此，亟待发展新型红外光子测控技术，以克服红外光场在高探测灵敏度与高时间分辨率方面的长期难题，从而满足稀疏光子场景下中红外高精度测距与成像的迫切需求。

为此，非线性上转换探测技术有望提供解决之道，通过非线性和频过程将中红外光场上转换至可见或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器完成对信号的灵敏与精确捕获。当前，在连续光泵浦的上转换测距方案中，轴向分辨率受限于探测器的时间抖动，通常在亚厘米量级。而同步脉冲泵浦的上转换测距方案，尽管消除了探测器时间抖动的限制，可将轴向分辨率提升至微米水平，但其采用机械扫描作为光延迟手段，难以满足大范围与高速率的测量需求。

近年来，双光梳测距技术以其高精度和大量程的优势在测距领域得到广泛应用。目前，该技术主要被应用于近红外波段，将其拓展到中红外面临诸多挑战。在光源方面，制备出具有高功率、高相干的中红外光源仍颇具难度；在探测方面，高灵敏、大带宽的室温红外探测器尚无法获取；在数据处理方面，需要进行傅里叶变换或希尔伯特变换提取时间信息，增加了数据处理的复杂度。因此，双光梳技术在中红外距离测量中的应用仍待进一步探索。

创新研究

研究团队提出并研制了基于异步上转换采样的高分辨中红外单光子测距系统，实现了具备单光子灵敏度、皮秒时间分辨率和宽扫描范围的中红外激光测距性能。该方法的核心在于异步脉冲泵浦的非线性上转换探测，其基本原理如图1所示。

图1 基于异步上转换采样的中红外测距原理图

具体来说，携带距离信息的中红外脉冲在非线性晶体中被重频与之相差1 kHz的近红外泵浦脉冲采样，并转换至可见光波段。得益于二者间的重频差，两脉冲在时域上能够自发实现扫描，并产生周期为1 ms的和频信号。全光扫描过程所获得的最大延时量可达46.45 ns（由重复频率决定），相当于自由空间中7 m长的延迟线，克服了同步脉冲泵浦上转换方案中机械延迟线扫描范围有限的不足（通常几十厘米），可实现大范围内中红外高速测距。此外，这一过程将互相关轨迹在时域上拉伸了2×10⁴倍，利用低带宽硅基单光子探测器即可实现对中红外信号的高灵敏与高精度探测。所采用的实验装置如图2所示。

图2 中红外上转换单光子测距实验装置图

进一步地，结合时间相关单光子计数技术，可实现对中红外光子的高灵敏与高精度测量。为模拟少光子场景，实验采用中性滤波片对中红外光进行衰减，图3(a)为对应探测端光子数为8×10⁻⁵ 光子/脉冲时中红外上转换信号的直方图，脉冲时间宽度在213 ns，远大于图3(b)中单光子探测器自身的时间抖动830 ps。利用异步采样的放大因子，可以得到有效测距分辨率为9.9 ps，比单光子探测器自身时间抖动低两个数量级。测距精度由图3(c)艾伦方差表示，当平均时间为64 s时，可以达到4 μm。所采用的时间拉伸单光子计数技术克服了单光子探测器固有的时间抖动，可获得传统飞行时间单光子测距系统无法达到的精度。

图3 基于时间相关单光子计数的高灵敏中红外测距

总结与展望

这项研究创新结合了异步光学采样与上转换探测技术，实现了红外光子高精度与高灵敏探测，解决了将单光子测距技术拓展至中红外波段面临的长期难题。未来，可以使用更短泵浦脉冲以提高测距分辨率，同时适当增加双色激光器的重复频率和重频差，获得更高刷新率和更精细的扫描步长。此外，该方法有望扩展至长波红外或太赫兹波段，以满足高灵敏和高分辨的距离或深度测量需求，为红外遥感、光子测绘、形貌表征等领域提供支撑。