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塑料识别、激光系统诊断等——NLIR中红外光谱仪之快速红外测试的利器(二)

一、应用举例

1.透射率测量

使用30 W的硅碳棒作为光源,测量光学窗口涂层的透射率:红色曲线为3.7–4.5µm的Ge带通滤波器(BPF)的透过率曲线,蓝色曲线为镀1064 nm高反膜和2.1–4.5µm高透膜的YAG镜片的透过率曲线。

S2050-400光谱仪的曝光时间设置为20 ms,只捕获光谱一次。未对数据进行平均或平滑处理。此类测量可用于镀膜的质量控制,或者用于生产监控

 

2.表征红外激光

使用80 kHz全谱读出率测量超连续光源的单脉冲的测试结果,光源参数:光谱范围约为3.5µm–4.2µm、重复频率40 kHz,2 ns脉冲宽度

(a)12毫秒采集时间的原始数据

(b)40 kHz重频和80 kHz采样中,每隔一个读数为空时的放大图

(c)显示了10个原始连续光谱

光谱的波动主要来源于光源的噪声。测量结果表明,S2050-130k光谱仪可以很容易地用来表征红外激光。

 

3.光学相干层析成像

光学相干层析成像:光学相干层析成像是近红外领域众所周知的深度成像技术,但在中红外区域具有许多优势。NLIR上转换技术用于实现kHz线速光谱,从而实现实时中红外OCT监测。

Niels M. Israelsen et al., “High-resolution mid-infrared optical coherence tomography with kHz line rate,” Opt. Lett. 46, p. 4558 (2021).

3329 nm中红外激光器的驱动电流以1 kHz的振幅进行调制,NLIR 2.0–5.0µm光谱仪的80 kHz版本以12.5µs的时间分辨率测量激光光谱。当驱动电流被调制时,激光器的振幅和中心频率发生变化,这些特征在图中所示的数据中清晰可见。

 

二、基本原理

NLIR的所有中红外探测产品都基于和频产生(SFG),这是一种高度复杂的非线性光学过程,其中两个光子在产生与原始光子相同能量的新光子时湮灭。

常见的SFG,称为二次谐波产生,它在激光应用中被最广泛地用于从1064 nm激光二极管产生绿光。在NLIR的产品中,SFG以不同的方式使用,称为上转换,简单来说就是将入射中红外(MIR)光转换为近可见光。

非线性光学过程通常由介质内部的高强度电场驱动,这种介质表现为大非线性系数和小的损耗,例如铌酸锂晶体。对于三个电场参与的上转换过程,其中一个电场必须具有足够高的强度。上转换技术已为人所知多年,但对高强度激光场的要求使得该技术要么过于昂贵,要么过于低效,无法商业化。

NLIR技术的核心是以一种简单的方式在晶体内部提供高强度激光场(1064 nm,>1 MW/cm2连续波),同时允许MIR光进入,并使产生的近可见光输出而不会衰减。

上图显示铌酸锂晶体作为介质,一个高功率激光场(绿色)穿过,一个MIR信号(红色)与高功率场重叠进入晶体。在输出端,上转换光束(蓝色)可以与高功率光束分离,并使用近可见光探测器(例如基于硅的CMOS阵列)、APD,甚至智能手机摄像头进行测量。

图的右侧说明了上转换过程中的能量守恒,其中来自高功率激光场的一个光子和一个MIR光子结合,成为一个近可见光光子;

箭头的长度表示能量,即波长。在图表顶部使用“虚态”一词的原因是,光子不会被吸收到晶体中的物理状态(就像电子吸收的情况一样),而只是通过电场力与束缚电子相互作用。

上转换后,可使用合适的探测器检测近可见光,例如光栅光谱仪中的CMOS阵列(NLIR的2.0–5.0µm光谱仪),或快速、灵敏的点检测器(单波长检测器)。

 

1.噪声

NLIR的产品具有卓越的噪声特性。避免了传统MIR探测器已知的许多噪声源,但在上转换过程中引入了一个新的噪声源。

上转换的要求限制了可实现的效率和带宽,从本质上过滤掉了环境中的热噪声。只有与信号共同传播的可检测带宽中的噪声被上转换并使其达到检测。传统的MIR探测器能检测到的来自周围环境的其余热噪声根本不会被上转换。类似地,传统的MIR探测器由于其自身的温度也会产生大量的内部噪声,这也是许多MIR探测器被低温冷却的原因。由于在室温下,上转换波长几乎不存在任何热发射光子,因此上转换后也基本上避免了这种噪声。

上转换过程本身完全没有噪音。文献表明,即使在量子力学的水平上,除了波长之外,上转换光子也是波长较长的原始光子的精确副本。这意味着上转换过程本身不会对检测产生任何噪声。

然而,在上转换过程中,晶体内部发生了两个寄生过程。首先,晶体本身的温度使其随机发射光子;与信号方向相同的信号被上转换,检测中作为噪声被探测到。这种噪声在3.0µm以上占主导地位,并随着波长的增加而增加。其次,来自高功率激光的光子通过自发下转换(另一个非线性过程)衰减,最终与信号的方向相同,当上转换时,它们被检测为噪声。后一种过程在文献中称为上转换自发参量下转换(USPDC)噪声,在波长低于3.0µm时占主导地位。

上转换过程中引入的两个新噪声源非常重要,足以在采样频率<0.1 Hz的2.0–5.0µm光谱仪中观察到。在单波长探测器中,它们的影响因波长和带宽而异,但始终包含在光谱仪的参数中。

 

2.速度

上转换中一个重要物理常数是非线性相互作用的时间常数。一个常见误解是,转换过程以光速进行。虽然在转换过程中,光的速度除了线性折射率因素外并没有减慢,但相互作用本身与光的移动速度几乎没有关系。转换过程的时间常数取决于材料中束缚电子对外加电场的响应速度。当然,电子的反应速度不是无限快,但与所有其他涉及的动力学相比,它们的反应是如此之快,以至于(几乎)在任何应用中,它们的反应都可以被认为是瞬时的。因此,上转换过程本身不会导致时间延迟、抖动或任何类型的模糊。

然而,事实证明(严格来说),晶体中的色散原则上会在很短的时间尺度上导致时间模糊。在NLIR制造的最灵敏的单波长探测器中,当调制频率超过100GHz时,这种效应将开始变得显著。在更宽带的设备中,它将在更高的调制频率时发生。因此,单波长探测器不会受到色散引起的时间模糊的影响。输入脉冲小于100 fs时,光谱仪仅受到灵敏度略微降低的影响;测得的光谱不受影响。

 

3.效率

上转换过程的效率取决于非线性晶体内高功率激光的强度和希望得到的光学带宽。功率越高,带宽越窄,效率越高。对于2.0–5.0µm的光谱范围,转换效率约为0.001,对于许多应用,使用合适的近可见光检测器,在噪声等效功率方面仍优于标准的MIR检测器。如果需要更窄的光谱范围,例如3.3–5.0µm,则转换效率>0.01,并且对于3.0µm附近仅50 nm的范围,转换效率>0.1。