Highly-sensitive mid-infrared upconversion detection based on external-cavity pump enhancement

技术摘要：基于外腔泵浦增强的超灵敏中红外上转换检测

问题陈述
高灵敏度的中红外（MIR）检测对于从遥感和环境监测到生物医学诊断的各类应用至关重要。然而，实现高性能的被动式 MIR 传感仍面临挑战。商用半导体探测器（如 HgCdTe、InSb）通常存在高暗噪声和低响应速度的问题，导致其噪声等效功率（NEP）水平约为 pW/Hz$^{1/2}$。虽然频率上转换为在室温下实现高灵敏度检测提供了一条途径，通过将 MIR 信号转移至可见光/近红外波段，但现有的连续波（CW）方案面临权衡：单通配置需要高泵浦功率（数十瓦）以实现高效转换，而腔内增强方案则常因泵浦光与上转换信号之间的光谱重叠而导致噪声增加，将 NEP 限制在数十 fW/Hz$^{1/2}$ 的范围。

方法论
作者提出并实现了一种 MIR 上转换检测系统，利用外腔泵浦增强来克服高功率需求和噪声的限制。实验装置包含三个主要阶段：

1. MIR 信号生成：将单频掺铒光纤激光器（1550 nm）和掺镱光纤激光器（1064 nm）放大并合束，驱动 50 毫米周期性极化铌酸锂（PPLN1）晶体中的差频产生（DFG），产生 3.4 µm 的可调谐连续波 MIR 信号。
2. 外腔泵浦增强：将 1064 nm 泵浦光束注入一个精细度约为 109 的蝴蝶结型驻波光学腔。该腔由四个反射镜（两个平面镜，两个曲面镜）构成，内部装有用于和频产生（SFG）的 25 毫米 PPLN2 晶体。基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字锁相系统利用抖动锁相技术，通过压电致动器（PZT）稳定腔长。这种配置将泵浦源与增强腔解耦，允许使用紧凑、低噪声的单频光纤激光器。
3. 检测与滤波：提取上转换信号（810 nm），通过多级光谱滤波器（陷波、长通、短通和带通滤波器）进行滤波，将 1064 nm 泵浦光抑制约 190 dB，并耦合进单模光纤。检测使用单光子计数模块（SPCM）或多像素光子计数器（MPPC）进行，以扩展动态范围。

主要贡献与结果

• 泵浦增强：外腔成功将腔内泵浦功率增强了36倍。在 1.53 W 的输入泵浦功率下，循环功率达到约55 W。
• 转换效率：在 55 W 的峰值腔内功率下，系统实现了**22%**的峰值转换效率。总检测效率（包括滤波、光纤耦合和探测器量子效率）约为 6.8%。
• 噪声性能：系统实现了低至0.3 fW/Hz$^{1/2}$的噪声等效功率（NEP）。这比先前报道的连续波泵浦 MIR 上转换探测器的数值（通常在 pW/Hz$^{1/2}$ 范围）提高了十倍，并且显著低于受泵浦 - 信号光谱重叠影响的腔内方案。
• 动态范围：通过采用具有光子数分辨能力的多像素光子计数器（MPPC），检测动态范围扩展至30 dB，比单像素 SPCM 的 15 dB 范围提高了 15 dB。
• 稳定性：基于 FPGA 的数字锁相单元实现了自动稳定和快速重锁能力，确保了长期运行，泵浦功率波动估计仅为~1%。

意义与主张
该论文声称，这种外腔增强方案有效解决了被动式 MIR 传感对功率的严格要求，同时保持了超低噪声。通过将泵浦源与增强腔分离，该系统避免了腔内方案固有的光谱滤波困难，从而实现了背景噪声水平，使得 NEP 达到 0.3 fW/Hz$^{1/2}$。

作者强调，单频泵浦的使用对于高保真光谱映射特别有利，使该系统适用于“光子匮乏”场景下的高精度 MIR 上转换光谱学。该架构被呈现为一个多功能平台，可通过利用不同的非线性晶体（如 BaGa$_4$Se$_7$或 AgGaS$_2$）进行成像适配并扩展至更长波长（高达 12 µm）。这项工作表明，将高性能硅光子计数器与外腔泵浦增强相结合，可以实现适用于痕量分析和遥感的超灵敏、室温 MIR 检测。