Light | 中紅外時域計算鬼成像

  • 2024-06-27 18:03
  • 中國光學

Banner


導讀


近日，四川大學梁厚昆團隊聯合芬蘭坦佩雷理工大學Goëry Genty團隊提出基於非線性頻率下轉換的中紅外時域計算鬼成像技術方案，成功將時域計算鬼成像技術拓展至中紅外波段，爲中紅外波段超快光調製信號探測開闢了新路徑，有望應用於中紅外波段自由空間通信、遙感探測等領域。


該文章以“Mid-infrared computational temporal ghost imaging”爲題發表在Light: Science & Applications。該研究工作得到了國家自然科學基金區域聯合重點項目、面上項目等項目的大力支持。四川大學電子信息學院吳函副研究員、博士生胡波爲論文的共同第一作者。四川大學梁厚昆教授、彭飛副教授，芬蘭坦佩雷大學Goëry Genty教授爲該論文的共同通信作者。主要貢獻者還包括電子科技大學王子南教授，電子信息學院碩士生陳璐。該工作由四川大學電子信息學院作爲第一單位完成。




中紅外波段包含多個重要的大氣傳輸窗口，應用中紅外激光開展自由空間光通信、遙感探測、全光調製超快光信號處理、半導體材料自由載流子壽命標定等應用成爲了新的發展趨勢，超快光時域調製信號的探測是中紅外波段上述應用中不可或缺的關鍵技術。然而由於中紅外波段缺乏成熟的高速、高靈敏度光電探測器，對中紅外超快光信號的直接探測面臨重大挑戰。


鬼成像技術是一種非直接探測的成像手段，其最初是在對空間實際物體成像中得到了驗證和應用。近年來，研究人員將鬼成像概念拓展至時域，時域鬼成像系統採用在時域上具有強度隨機波動特性的低時間相干性光源作爲探測光，通過將多次測量的光源本身時域強度波動信息與光源經時間物體（如高速電光調製器強度調製信號）作用後的積分功率做關聯運算，即可重構超快光調製信號。此外，可以藉助任意波形發生器和高速光調製器件產生已知信號對光源進行時域強度預調製，構建時域計算鬼成像系統，僅用一個慢速探測器即可實現對高速時域調製信號的探測。相比於直接探測方案，時域鬼成像的實現原理使其在弱光或無高速探測器條件下的超快光信號探測中具備獨特的優勢。


在中紅外波段，缺乏成熟的高速、高靈敏度光探測器件，且在該波段普遍採用的自由空間光探測鏈路可能存在高損耗、強散射、強湍流等惡劣光信號採集及探測環境，將具備優異的抗噪、抗失真能力且可降低探測器件性能要求的時域鬼成像拓展至中紅外波段有望在該波段自由空間光通信、遙感探測、材料分析、氣體傳感等領域發揮其獨特的應用優勢。然而，現階段受限於中紅外波段時域強度高速編碼調製技術尚不成熟，時域計算鬼成像還未在大於2.5 μm 的中紅外波段得到實驗報道。


本文提出了基於非線性頻率下轉換的中紅外時域計算鬼成像概念，利用近紅外波段成熟的光纖激光器及其時域調製技術，結合非線性頻率下轉換過程，採用慢速光電探測器成功實現了對中紅外高速時域光信號的探測。


具體的，如圖1所示，研究人員利用通信波段光調製器對1542 nm的信號光進行時域編碼預調製，將預調製後的1542 nm光與1060 nm連續波光纖激光器在非線性晶體PPLN中差頻，從而產生中紅外波段閒頻光，併成功將1542 nm信號光時域編碼預調製信息轉移至3.4 μm閒頻光處(圖2)。攜帶時域強度預調製信息的中紅外光經過時域目標信號強度調製後用中紅外低速探測器採集其積分功率，將多組編碼預調製信號與對應的積分功率進行關聯運算，可恢復出時域目標信號對中紅外光的強度調製信息，實現中紅外時域計算鬼成像。

圖1：基於非線性頻率下轉換的中紅外時域計算鬼成像方案示意圖

圖2：（a）時域編碼預調製1542 nm 光和差頻產生的3.4 μm中紅外光時域波形圖對比及（b）兩者時域強度波動的時間-時間互相關圖


爲了對中紅外時域計算鬼成像進行概念演示，研究人員通過在中紅外聲光調製器上加載設定的0-1比特序列，對中紅外閒頻光的強度進行調製，作爲待測中紅外時域目標信號。利用1 MHz 帶寬的中紅外慢速光電探測器採集經強度調製後的中紅外光信號，將探測的積分功率信息與對應的時域編碼預調製型號進行關聯運算即可恢復中紅外聲光調製器對中紅外的時域強度調製信息。圖3展示了中紅外聲光調製器的調製速度分別爲625 kbps和5 Mbps下鬼成像探測結果和採用1 MHz 帶寬的中紅外慢速光電探測器直接探測結果，可以看出，中紅外時域鬼成像技術可以很好的恢復出時域目標信號，並在探測器帶寬遠小於調製速率時依然能實現對中紅外光調製信號優異的解調性能。此外，研究人員也展示了採用正交編碼的時域編碼預調製信號光，可進一步降低時域計算鬼成像採樣次數。進一步的，研究人員通過調諧差頻中連續波光纖隨機激光器波長，驗證了該方案的波長可拓展性，實現了在3.2-4.3 μm波段對調製速度爲5Mbps的時域目標信號的時域鬼成像探測。後續可進一步採用通信波段高速電光調製器對近紅外光進行編碼預調製，實現超高時間分辨率的中紅外時域鬼成像。
圖3：基於非線性頻率下轉換的中紅外時域計算鬼成像結果圖



論文信息

Wu, H., Hu, B., Chen, L. et al. Mid-infrared computational temporal ghost imaging. Light Sci Appl 13, 124 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01426-0


編輯：趙陽
Banner
高被引文章統計

如下數據來自Web of Science，Light: Science & Applications的高被引文章數量在國內同類期刊中穩居領軍地位。截至目前：


超過2000次引用的文章有1篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.99
超過1000次引用的文章有3篇
https://doi.org/10.1038/s41377-019‍-0194-2
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.30
超過900次引用的文章有4篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.133
超過700次引用的文章有7篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.48
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.141
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.1‍68
超過600次引用的文章有9篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2013.28
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0341-9
超過500次引用的文章有12篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.67
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.60

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.‍46

超過400次引用的文章有29篇

https://doi.org/10.1038/lsa.2013.26

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.42

https://doi.org/10.1038/lsa.2016.17

https://doi.org/10.1038/lsa.2015.97

https://doi.org/10.1038/lsa.2015.30

https://doi.org/10.1038/lsa.2012.1

https://doi.org/10.1038/lsa.2016.76

https://doi.org/10.1038/s41377-018-0078-x

‍‍https://doi.org/10.1038/lsa.2015.131‍‍

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0326-8

https://doi.org/10.1038/lsa.2017.39

https://doi.org/10.1038/s41377-018-0060-7

‍https://doi.org/10.1038/lsa.2017.146

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0264-5

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0268-1

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.94

https://doi.org/10.1038/s41377-019-0148-8

超過300次引用的文章有49篇
超過200次引用的文章有117篇
超過100次引用的文章有332篇

超過50次引用的文章有629篇


歡迎課題組投宣傳稿

請掃碼聯繫值班編輯




👇 關注我 👇 

點亮“贊”和“在看”，文章更新不錯過