CN112255857A - 一种干涉增强上转换成像装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种干涉增强上转换成像装置，包括：分束器，反射镜，二维图像上转换器，参考光上转换器，相位调制器，二向色镜，光电探测器；分束器，用于将激光器发出的光分为两束，一束作为信号光，另一束作为参考光；反射镜，用于改变装置中的光路传播方向；二维图像上转换器，用于通过增大非线性晶体中激光模式的大小实现二维图像的高空间分辨的频率上转换；参考光上转换器，用于通过外腔增强泵浦光强度实现参考光高转换效率的转换；相位调制器，用于调整上转换信号光的相位；二向色镜，用于将上转换信号光和上转换参考光合束；光电探测器，用于探测干涉增强后的二维上转换图像。从而实现高转换效率和高空间分辨率的二维图像上转换。
Description
技术领域
本申请涉及频率上转换成像领域，具体而言，涉及一种干涉增强频率上转换成像装置。
背景技术
红外或近红外，尤其是光通信波段的光子波长处在大气和光纤的低损耗传输窗口，在生物医学成像、国防军事、气体分析和量子信息领域具有广泛地应用。目前最先进的直接红外探测器有热传感器、半导体探测器或超导纳米线探测器。热传感器成本低廉，由于其响应速度慢、灵敏度低，只能用于对精度和速度要求不高的场合；半导体探测器灵敏度高，但需要冷却操作和精密处理；超导纳米线探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，但是在几mK到K的极低温度下工作，成本高昂。
与之相比，可见光波段的单光子探测器件(Si-APDs、PMTs)和CCD传感器具有量子效率高、暗计数低以及响应快的特点。因此，有效地将中、近红外光上转换为可见光，并利用可见光高性能的探测器探测的上转换技术是一种替代直接红外成像技术的有效手段。
红外上转换成像是利用非线性光学和频过程，将红外照明的图像上转换为可见光光谱，同时保持其量子特性的不变，然后利用可见光谱范围具有更好性能的图像传感器成像。与现有的红外光谱范围和THz区域的成像传感器相比，上转换成像技术可以获得实时的、全非扫描的二维图像。这种方法充分利用了可见光波段图像传感器在噪声、速度、分辨率或非制冷操作方面更优的性能，克服了红外图像传感器暗噪声高、需制冷等缺点，可以实现红外图像高灵敏度、高分辨率成像。
二维图像的视场、空间分辨率以及上转换效率是评价红外上转换成像技术优劣的关键指标。
目前，增强上转换成像视场的有效方法主要有宽带光源、晶体热梯度和晶体旋转等。其中，宽带光源是利用非共线相互作用中的上转换角度的波长敏感性实现更多角度的准相位匹配，从而实现增大二维图像的视场，然而与单色激光源相比，宽带光源照明目标亮度降低，不利于中远距离的***使用。晶体热梯度通过在PPLN晶体的两端加入热极和冷极形成的热梯度使晶体中的折射率成梯度分布，从而引起相互作用波的波矢失配，这种机制可以在单波长源照明时有效增强上转换图像的视场，它的缺点是晶体中热分布的不均匀性将导致上转换效率的降低。
上转换图像的分辨率与非线性晶体中模式的大小成正比，上转换效率与模式大小成反比，即晶体中泵浦光的光束尺寸决定了图像上转换***的空间分辨率，而泵浦光的强度则决定了图像上转换的转换效率。在实际应用中，二维图像上转换过程中高转换效率和高空间分辨率不能同时兼顾。目前增强图像上转换的空间分辨率的唯一方式是用非相干光源，然而非相干源目标照明亮度降低，从而导致上转换图像的转换效率降低。常用于提高图像上转换的效率的方法是通过腔内泵浦和外腔增强的方式提高泵浦光的功率，但是复杂的腔结构导致上转换图像的空间分辨率降低。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种干涉增强图像上转换装置，利用高转换效率的上转换参考光和高空间分辨率的上转换信号光的干涉得到增强的二维目标图像，从而实现高空间分辨率和高转换效率的干涉增强上转换成像。
第一方面，本申请实施例的目的在于提供一种干涉增强图像上转换装置，包括分束器，反射镜，二维图像上转换器，参考光上转换器，相位调制器，二向色镜，光电探测器；
所述分束器，用于将激光器发出的光分为两束，一束作为信号光照明标准分辨率目标，另一束作为参考光；
所述反射镜，用于改变装置中的光路传播方向；
所述二维图像上转换器，用于二维图像的高空间分辨的频率上转换；
所述参考光上转换器，用于参考光高转换效率的上转换；
所述相位调制器，用于调整二维图像上转换后的相位；
所述二向色镜，用于将上转换二维图像和上转换参考光合束；
所述光电探测器，用于探测干涉增强后的二维上转换图像。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述二维图像上转换器包括目标掩模、二向色镜、聚焦透镜、非线性晶体、准直透镜、滤波器；
所述目标掩模，用于被分束器分束的信号光照射形成二维目标图像；
所述二向色镜，用于将携带二维目标图像的信号光和泵浦光合束；
所述聚焦透镜，用于将二维图像和泵浦光聚焦到非线性晶体的中心；
所述非线性晶体，用于实现二维图像上转换的非线性介质；
所述准直透镜，用于将上转换后的二维图像进行准直；
所述滤波器，用于滤除上转换光谱以外的波长。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述参考光上转换器包括二向色镜、输入耦合透镜、谐振腔输入腔镜、非线性晶体、谐振腔输出腔镜、输出耦合透镜、滤波器；
所述二向色镜，用于将参考光和泵浦光合束；
所述输入耦合透镜，用于将合束后的参考光和泵浦光聚焦到非线性晶体的中心；
所述谐振腔输入腔镜，用于将合束后的参考光和泵浦光耦合到谐振腔内；
所述非线性晶体，用于提供非线性频率转换的工作介质；
所述谐振腔输出腔镜，用于输出上转换后的和频光，并与谐振腔输入腔镜构成增强腔增强泵浦光的功率；
所述输出耦合透镜，用于将输出的上转换和频光进行准直；
所述滤波器，用于滤除上转换后的参考光以外的光谱。
本申请实施例提供的干涉增强上转换成像装置，包括分束器11、二维图像上转换器12、反射镜13、相位调制器14、反射镜15、参考光上转换器16、二向色镜17、光电探测器18。与现有的图像上转换技术无法同时获得高转换效率和高空间分辨率相比，其通过分束器将激光器发出的光分为信号光和参考光两束，信号光照明目标掩模形成二维目标图像，并在二维图像上转换器中通过增大非线性晶体中的激光模式大小实现高空间分辨率的频率上转换；参考光在参考光上转换器中通过外腔增强泵浦光功率实现高效率的频率上转换。由于上转换过程中信号光和参考光的量子特性并未改变，因此上转换后的信号光和参考光满足相干条件，上转换后的信号光和参考光通过二向色镜合束并发生干涉，从而获得高转换效率和高空间分辨率的上转换二维图像。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例所提供的干涉增强上转换成像装置的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的干涉增强上转换成像装置中二维图像上转换器12的具体结构示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的干涉增强上转换成像装置中参考光上转换器16的具体结构示意图；
主要元件符号说明：
11、分束器；12、二维图像上转换器；13、反射镜；14、相位调制器；15、反射镜；16、参考光上转换器；17、二向色镜；18、光电探测器；121目标掩模；122、二向色镜；123、聚焦透镜；124、周期极化晶体；125、准直透镜；126、第一滤波器；161、二向色镜；162、输入耦合透镜；163、谐振腔输入腔镜；164、非线性晶体；165、谐振腔输出腔镜；166、输出耦合透镜；167、第二滤波器。
具体实施方式
使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
考虑到现有频率上转换成像技术无法同时获得较高的转换效率和空间分辨率，基于此，本申请实施例提供了一种干涉增强上转换成像装置，详见下述实施例。
如图1所示，本申请实施例提供了一种干涉增强频率上转换成像装置，该装置具体包括：分束器11、二维图像上转换器12、反射镜13、相位调制器14、反射镜15、参考光上转换器16、二向色镜17、光电探测器18；
分束器11，用于将激光器发出的光分为两束，一束作为信号光照明标准分辨率目标，另一束作为参考光；
二维图像上转换器12，用于高空间分辨率二维图像上转换，高空间分辨率通过增大非线性晶体中激光模式的大小而实现；
反射镜13，用于改变上转换光的传播方向；
相位调制器14，用于调制上转换图像的相位；
反射镜15，用于改变参考光的传播方向；
参考光上转换器16，用于高转换效率的参考光上转换，高转换效率通过外腔增强泵光光的强度而实现；
二向色镜17，用于上转换信号光和上转换参考光的合束；
探测器18，用于探测干涉增强后的上转换图像。
本申请实施例提供的干涉增强上转换成像装置，包括分束器11、二维图像上转换器12、反射镜13、相位调制器14、反射镜15、参考光上转换器16、二向色镜17、光电探测器18。与现有的图像上转换技术无法同时获得高转换效率和高空间分辨率相比，其通过分束器将激光器发出的光分为信号光和参考光两束，信号光照明目标掩模形成二维目标图像，并在二维图像上转换器中实现高空间分辨率的频率上转换；参考光在参考光上转换器中实现高效率的频率上转换。由于上转换过程中信号光和参考光的量子特性并未改变，因此上转换后的信号光和参考光满足相干条件，上转换后的信号光和参考光通过二向色镜合束并发生干涉，从而获得高转换效率和高空间分辨率的上转换二维图像。
如图2所示，本实施例中二维图像上转换器12具体包括：目标掩模121、二向色镜122、聚焦透镜123、非线性晶体124、准直透镜125、滤波器126；其中：
目标掩模121，用于被分束器11分束的信号光照射形成二维目标图像；
二向色镜122，用于将携带二维目标图像的信号光和泵浦光合束；
聚焦透镜123，用于将二维图像和泵浦光聚焦到非线性晶体124的中心；
非线性晶体124，用于实现二维图像上转换的非线性介质；
准直透镜125，用于将上转换后的二维图像进行准直；
滤波器126，用于滤除上转换光谱以外的波长。
本申请实施例中的二维图像上转换器12，非线性晶体内激光模式越大，上转换图像的分辨率越高，上转换效率越低。通过增大信号光和泵浦光在晶体中模式的尺寸而获得较高的空间分辨率，
如图3所示，本实施例中参考光上转换器16具体包括：二向色镜161、输入耦合透镜162、谐振腔输入腔镜163、非线性晶体164、谐振腔输出腔镜165、输出耦合透镜166、滤波器167。
二向色镜161，用于将参考光和泵浦光合束；
输入耦合透镜162，用于将合束后的参考光和泵浦光聚焦到非线性晶体的中心；
谐振腔输入腔镜163，用于将合束后的参考光和泵浦光耦合到谐振腔内；
非线性晶体164，用于提供非线性频率转换的工作介质；
谐振腔输出腔镜165，用于输出上转换后的和频光，并与谐振腔输入腔镜163构成增强腔增强泵浦光的功率；
输出耦合透镜166，用于将输出的上转换和频光进行准直；
滤波器167，用于滤除上转换和频光以外的光谱。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种干涉增强上转换成像装置，其特征在于，包括分束器，反射镜，二维图像上转换器，参考光上转换器，相位调制器，第一二向色镜，光电探测器；
所述分束器，用于将激光器发出的光分为两束，一束作为信号光照明标准分辨率目标形成二维图像，另一束作为参考光；
所述反射镜，用于改变装置中的光路传播方向；
所述二维图像上转换器，用于实现二维图像上转换；
所述参考光上转换器，用于将参考光上转换为与信号光波长一致的上转换参考光，通过外腔增强泵浦光的方式获得高于50％的转换效率的上转换参考光；
所述相位调制器，用于对上转换信号光上转换后的二维图像的相位进行调制；
所述第一二向色镜，用于将上转换后的二维图像和参考光合束和上转换参考光合束；
所述光电探测器，用于探测干涉增强后的二维上转换图像。
2.所述根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维图像上转换器包括目标掩模、第二二向色镜、聚焦透镜、第一非线性晶体、准直透镜、第一滤波器；
所述目标掩模，用于被所述分束器分束的信号光照射形成二维图像；
所述第二二向色镜，用于将携带所述二维图像的信号光和泵浦光合束；
所述聚焦透镜，用于将所述二维图像和泵浦光聚焦到所述第一非线性晶体的中心；
所述第一非线性晶体，用于实现二维图像上转换的非线性介质；
所述准直透镜，用于将上转换后的光束进行准直；
所述第一滤波器，用于滤除上转换光谱以外的波长。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考光上转换器包括第三二向色镜、输入耦合透镜、谐振腔输入腔镜、第二非线性晶体、谐振腔输出腔镜、输出耦合透镜、第二滤波器；
所述第三二向色镜，用于将参考光和泵浦光合束；
所述输入耦合透镜，用于将合束后的参考光和泵浦光聚焦到所述第二非线性晶体的中心；
所述谐振腔输入腔镜，用于将合束后的参考光和泵浦光耦合到谐振腔内；
所述第二非线性晶体，用于提供非线性频率转换的工作介质；
所述谐振腔输出腔镜，用于输出上转换后的和频光，并与所述谐振腔输入腔镜构成所述外腔增强泵浦光的功率；
所述输出耦合透镜，用于将输出的上转换和频光进行准直；
所述第二滤波器，用于滤除上转换后的参考光以外的光谱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210122 |
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