中紅外高靈敏探測讓辦不到的事情變成可能

　　基于激光頻率變換技術的中紅外探測系統(沈陽自動化所供圖)

　　1月25日，《中國科學報》從中國科學院沈陽自動化研究所(以下簡稱沈陽自動化所)獲悉，該所太赫茲團隊在紅外探測領域取得了關鍵技術突破，實現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達到國際先進水平，且實現系統的國產化。相關成果1月20日發表于《光學》(Optica)。

　　據了解，相對于傳統的可見光近紅外波段，中紅外光與分子之間的共振現象可大幅度提高光譜測量的信噪比，進而實現對物質成分的有效識別。中紅外探測技術對于推動生命科學、物性分析等科學探索，以及環保、化工行業、醫學診斷等實際應用具有重要意義。

　　當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，現有性能已難以滿足科學家們對微量物質的精準檢測的需求，探測靈敏度已成為中紅外系統的瓶頸問題。

　　太赫茲團隊負責人、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的解決方案，設計并搭建了實驗系統。其工作原理是將弱中紅外信號高效率地轉換為近紅外信號，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。”

　　經過深入分析研究多種晶體的光學特性，太赫茲團隊將目標鎖定在硒鎵鋇晶體。該晶體由論文作者之一、中國科學院理化技術研究所研究員姚吉勇帶領團隊研制。“硒鎵鋇晶體通常是作為波源使用，我們大膽嘗試，將它作為探測系統的一部分，在掌握其光學特性的基礎上設計了高性能光參量振蕩器，優化了相位匹配條件，解決了弱信號環境下的強背景噪聲抑制等問題，實現了收發一體的中紅外系統。”祁峰說。

　　硒鎵鋇晶體基于激光頻率變換技術的中紅外探測系統(沈陽自動化所供圖)

　　研究團隊通過對納秒級脈沖的實驗測試表明，該系統目前可達到的探測靈敏度優于碲鎘汞探測器100倍，實現了飛焦級納秒脈沖的有效探測;系統的動態范圍超過110 分貝，在寬頻范圍內的均勻響應可達到1.4個倍頻程。祁峰指出，“上述兩指標均優于傳統的直接探測系統。”

　　科研人員測試基于激光頻率變換技術的中紅外探測系統(沈陽自動化所供圖)

　　太赫茲團隊來自中國科學院光電信息處理重點實驗室，實驗室主任、沈陽自動化所所長史澤林表示，實驗室始終面向實際需求開展光電探測研究問題，探測新機理和新方法，攻克科學研究中遇到的問題。“這項高靈敏度中紅外探測研究就比較典型，如果靈敏度取得數量級的提升，就可能給生物、醫療和化工等領域帶來新的科學研究手段，讓原來辦不到的事情變得可能。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1364/OPTICA.442772