High-resolution mid-infrared single-photon upconversion ranging

Resumo Técnico: Medição de Distância por Upconversion de Fóton Único no Infravermelho Médio de Alta Resolução

Declaração do Problema
Embora a medição de distância por laser de fóton único (LiDAR) tenha alcançado sucesso generalizado nas bandas visível e infravermelha próxima (NIR) para aplicações como condução autônoma e sensoriamento remoto, estender essas capacidades para a região do infravermelho médio (MIR) permanece um desafio significativo. A operação no MIR é altamente desejável devido à redução do espalhamento de fótons em condições climáticas adversas (neblina, névoa) e à seletividade química inerente para sensoriamento de gases. No entanto, detectores MIR existentes baseados em semicondutores de banda proibida estreita, bolômetros ou materiais de baixa dimensionalidade emergentes geralmente carecem da sensibilidade necessária para detecção de fóton único (limitados a ~pW/Hz$^{1/2}$). Embora detectores de nanofio supercondutor ofereçam contagem de fótons no MIR, eles exigem refrigeração criogênica, introduzindo complexidade no sistema. Além disso, os sistemas de LiDAR por upconversion existentes enfrentam um compromisso: o bombeamento por onda contínua (CW) oferece um alcance amplo, mas é limitado pelo jitter de tempo do detector (resolução subcentimétrica), enquanto o bombeamento pulsado oferece alta resolução, mas é restringido pela curta profundidade de captura das linhas de atraso mecânicas.

Metodologia
Os autores propõem e demonstram um sistema de LiDAR por upconversion no MIR baseado em amostragem óptica assíncrona não linear (NAOS) combinada com contagem de fótons únicos correlacionada no tempo (TCSPC). A arquitetura central utiliza uma configuração de pente duplo com dois lasers de fibra bloqueados no modo (dopados com Érbio em 1,56 µm e dopados com Ítrio em 1,03 µm), estabilizados em taxas de repetição ligeiramente diferentes ($f_r$ e $f_r - \Delta f_r$).

1. Geração de MIR: Os pulsos sincronizados de duas cores sofrem geração de frequência de diferença (DFG) em um cristal de niobato de lítio periodicamente polarizado (PPLN) para gerar um pulso de sonda MIR em 3,1 µm.
2. Upconversion Assíncrona: A sonda MIR é dividida em um caminho de referência e um caminho de alvo. Os sinais MIR refletidos são misturados espacialmente com um trem de pulsos de bombeamento de alta potência em 1,03 µm em um segundo cristal PPLN. Através da geração de frequência soma (SFG), os fótons MIR são convertidos para a banda visível (0,77 µm).
3. Estiramento Temporal: Como os pulsos de bombeamento e sonda possuem taxas de repetição ligeiramente diferentes, o pulso de bombeamento "varre" o trem de pulsos da sonda MIR no domínio do tempo. Isso cria um fator de estiramento temporal $M \approx f_r / \Delta f_r$ (aproximadamente $2 \times 10^4$ neste experimento). Consequentemente, a dinâmica temporal rápida do sinal MIR é desacelerada, permitindo que um fotodiodo de silício de baixa largura de banda registre o traço de correlação cruzada.
4. Contagem de Fótons: Para cenários de baixa luminosidade, o sinal convertido é detectado por um módulo de contagem de fótons únicos de silício (SPCM) conectado a um dispositivo TCSPC. O sinal de início é derivado do pulso SFG gerado pelos dois lasers, e o sinal de parada provém do SPCM.

Principais Contribuições

• Arquitetura de Medição de Distância Inovadora: O artigo introduz um esquema de upconversion com bombeamento pulsado que supera a profundidade de captura limitada de scanners mecânicos ao utilizar amostragem óptica assíncrona, permitindo um alcance não ambíguo amplo (46,45 ns no experimento, escalável para quilômetros).
• Mitigação de Jitter via Estiramento Temporal: O sistema desacopla a resolução de medição de distância do jitter de tempo intrínseco do detector. Ao esticar o traço de correlação cruzada por um fator de $2 \times 10^4$, a resolução temporal efetiva é determinada pela largura do pulso óptico e pelo fator de estiramento, e não pelo jitter do detector.
• Contagem de Fótons no MIR em Temperatura Ambiente: O sistema alcança sensibilidade de fóton único no MIR utilizando um detector baseado em silício em temperatura ambiente, contornando a necessidade de refrigeração criogênica.
• Operação Incoerente: Diferentemente de esquemas de pente duplo coerentes que exigem travamento de fase e estabilização da fase do envelope do portador, este método baseia-se na intensidade do campo óptico e em processos paramétricos não lineares, simplificando os requisitos da fonte laser.

Resultados Experimentais

• Resolução e Precisão: O sistema alcançou uma resolução temporal efetiva de 9,8 ps (inferida a partir da largura da correlação cruzada), que é duas ordens de grandeza melhor que o jitter de tempo de 830 ps do próprio SPCM. Isso resultou em uma precisão de medição de distância de 4 µm (desvio de Allan) em um tempo de média de 64 segundos.
• Sensibilidade: A medição de distância foi demonstrada com um fluxo detectado extremamente baixo de $8 \times 10^{-5}$ fótons por pulso. A eficiência total de detecção foi de aproximadamente $3,2 \times 10^{-5}$, limitada principalmente pela eficiência de coleta e pela eficiência de conversão não linear.
• Desempenho Dinâmico: O sistema rastreou com sucesso um alvo oscilando rapidamente (15 Hz) com uma taxa de atualização de 1 kHz, demonstrando varredura óptica sem inércia superior às linhas de atraso mecânicas.
• Caracterização Multicamada: Como prova de conceito, o sistema realizou perfilamento de profundidade não invasivo em wafers de silício empilhados. Ele resolveu com sucesso a espessura geométrica (2,94 mm vs. 3 mm reais) e o índice de refração (3,49) do silício, bem como a refletividade das interfaces, aproveitando a transparência do silício no MIR.

Significado e Afirmações
O artigo afirma realizar o primeiro LiDAR de contagem de fótons no MIR de alta resolução sob iluminação de baixo nível de luz. Os autores enfatizam que sua abordagem alivia a limitação fundamental imposta pelo jitter de tempo intrínseco de sistemas de contagem de fótons, permitindo precisão de medição de distância submicrométrica no nível de fóton único sem infraestrutura criogênica.

O trabalho estabelece um caminho para sensoriamento infravermelho sensível e preciso para cenários "pobres em fótons", como detecção em longas distâncias de afastamento, monitoramento ambiental e controle de qualidade industrial (por exemplo, inspeção não destrutiva de defeitos em materiais semicondutores). Os autores observam que, embora o tempo de aquisição atual para cenas dinâmicas seja limitado pelo baixo fluxo de fótons, a integração de algoritmos computacionais avançados poderia melhorar ainda mais o desempenho em regimes eficientes em termos de fótons. Eles concluem que a técnica é escalável para regiões infravermelhas mais longas ou terahertz e que a resolução poderia ser aprimorada ainda mais para o nível de nanômetros usando pulsos ópticos mais curtos.