傳統的紅外探測主要基于銦鎵砷、銻鎘汞等半導體光子型探測器，然而這類探測器在常溫下具有靈敏度低和噪聲較大的缺點，高靈敏探測還需要深制冷，相對于成熟的硅探測器性能差距非常大。因此，將不易探測的紅外波段轉遷移至硅探測器的工作波段，并且利用高性能的硅基探測器進行有效探測是一種可行的路徑。基于這種思想，目前發展了一種有效的頻譜遷移探測方法，即通過非線性和頻上轉換過程將紅外光子的頻譜遷移到硅探測器的探測波段，從而實現高效的探測。

圖1 頻譜遷移探測示意圖

近期，中國科學院量子信息重點實驗室的聯合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“基于頻譜遷移的紅外探測研究進展（特邀）”為主題的綜述文章。該文章第一作者為周志遠副教授，主要從事量子非線性光學和機構光場調控方面的研究工作；通訊作者為史保森教授，主要從事冷原子物理和量子光學方面的研究工作。

本文系統介紹了基于頻譜遷移紅外探測的基本原理、主要參數和最新研究進展，最后對潛在的研究趨勢和應用前景進行了展望。

頻譜遷移探測基本原理

早在1990年，P. Kumar就通過量子光學的方法構建了頻譜遷移探測基本原理，在非線性和頻過程中，湮滅一個信號光子和一個泵浦光子會產生一個和頻光子。本章節利用頻譜遷移探測的量子光學描述和麥克斯韋方程描述，基于這兩種描述方式可以全面地分析量子光場以及經典光場的頻譜遷移轉換過程。具體推演過程請見論文詳情。

頻譜遷移探測的主要指標和參數

在利用頻譜遷移進行探測的過程中，有一些關鍵的指標參數衡量該復合探測系統的性能，這些關鍵的指標參數包括量子效率、系統噪聲、頻率帶寬和空間帶寬。下文針對這些參數的定義和依賴因素進行詳細的描述。

量子效率

量子效率定義為一個輸入信號光子被上轉換到和頻光子的概率大小。根據前述理論描述，頻譜遷移的量子效率的一般表達式為：

量子噪聲

頻率轉換過程中的主要噪聲因素包括環境噪聲和由泵浦光引起的自發拉曼噪聲、自發參量噪聲、泵浦光倍頻后產生的自發輻射噪聲，噪聲和三束光的關系如圖2所示。泵浦光引起的噪聲取決于晶體材料本身的特性和晶體的工作溫度，噪聲的強度大小可以通過單色儀和單光子探測器精確地測定。

圖2 短波和長波泵浦下的噪聲分布情況。（a）短波長泵浦情況；（b）長波長泵浦情況

通常可以使用質量較好的干涉濾波片濾除大部分噪聲，但是當泵浦光產生的自發參量噪聲或自發拉曼噪聲與信號光處于一個波段時，這些噪聲同樣可以與泵浦光發生高效和頻，且頻率變換后的二次噪聲與和頻信號也同處于一個波段，很難濾除。一般傾向于利用波長更長的光當做泵浦光，如圖2（b）所示，這樣由泵浦光產生的較強的拉曼散射噪聲和自發參量噪聲波長更長，所以這些噪聲不會與信號光處于同一波段，也就不會再與泵浦光和頻產生難以濾除的二次噪聲。通常為了更好地濾除轉換帶來的噪聲，可以選擇較低的晶體工作溫度；另外，如果轉換后的和頻光帶寬較窄，選擇帶寬極窄的光柵濾波器可以極大地消除泵浦光帶來的噪聲干擾。

頻率帶寬

頻率帶寬定義為在指定泵浦頻率分布下，改變信號光場的頻率分布使轉換效率下降一半時的信號光的頻率改變大小。頻率帶寬與非線性晶體頻率變換過程的相位匹配條件密切相關。接收帶寬與晶體的相位失配和長度密切相關。一般通過改變晶體的相位失配和長度可以改變接收帶寬，其中晶體越短接收帶寬越大；另外，通過改變晶體的溫度分布、波長色散和極化周期分布可以按需設計滿足要求的接收帶寬。

空間帶寬

空間帶寬定義為轉換器能夠轉換的空間頻譜范圍大小，對于圖像探測器一般用視場角來表征。在實際場景應用中考慮弱聚焦，若圖像邊緣的入射角度小于接收角時，上轉換過程的接收視場角度的大小則依賴于非線性晶體的橫截面和泵浦激光的束腰大小。當晶體的橫截面小于光斑直徑時，晶體橫截面的大小直接決定了上轉換接收視場角的上限。而當晶體橫截面大于光斑直徑時，接收視場角則由泵浦激光在晶體中的光斑所定義的軟“光闌”的大小決定（如圖3所示）。

圖3 頻譜遷移探測中接收視場角示意圖

頻譜遷移探測的主要研究進展

頻譜遷移探測經過多年的發展，其探測的光場從經典的激光到量子光場，從單個點探測器到面探測器，波長從近紅外延伸到中紅外波段。與此同時，針對頻譜遷移探測的主要指標也進行了深入研究，推進相關指標的顯著提升。下文首先介紹圍繞頻譜遷移探測關鍵指標提升的相關研究，然后介紹部分頻譜遷移探測相關應用場景的研究進展。

頻譜遷移探測關鍵指標研究及進展介紹

量子效率

頻譜遷移過程的量子效率研究主要針對兩種物理結構：一個是非線性波導體系，另一個是體塊晶體體系（如圖4所示）。波導體系相對于體塊晶體由于模場面積小，功率密度高，在較低的功率下即可實現非常高的量子效率，通過優化波導的傳輸損耗和端面模式匹配，從進波導到出波導的總體量子效率高達86.58%（內部轉換效率96.2%）。目前的主要波導結構包括質子交換的掩埋型波導和機械拋光的脊型波導，質子交換掩埋型波導的損傷閾值較低，脊型波導的損傷閾值較高，可以承受較大的泵浦功率（如圖4（c）所示）。對于周期性極化波導，最近石英上的鈮酸鋰薄膜是一個比較熱點的體系，由于薄膜厚度在幾百納米量級，波導的導模尺寸進一步減小，實現理想轉換的泵浦功率可以進一步降低（如圖4（d）所示）。由于鈮酸鋰薄膜中模場面積大幅度減小，其器件集成度將進一步增加，然而百納米尺度波導的高效耦合問題是否能夠突破是鈮酸鋰薄膜頻譜遷移器件走向應用的關鍵。對于單點頻譜遷移探測應用，非線性波導是一種比較理想的選擇。

對于基于體塊晶體的頻譜遷移探測應用，為了提升轉換的量子效率，通常有兩種方式：第一種是通過諧振腔的方式增強泵浦光的功率，從而提升量子效率（如圖4（b）所示）；第二種是基于高峰值功率的脈沖激光獲得高的量子轉換效率（如圖4（c）所示）。相對于波導結構，體塊晶體可以用于帶空間結構的光場或者圖像的轉換。對于一些結構光場或者圖像的頻譜遷移探測應用，可以選擇體塊晶體作為非線性轉換介質。

圖4 可用于實現頻譜遷移探測的不同光學結構。（a）體塊晶體；（b）諧振腔中的體塊晶體；（c）脊型波導結構；（d）納米鈮酸鋰薄膜波導

量子噪聲

針對頻譜遷移過程中量子噪聲的研究具有一系列的研究結果和進展，下面給出其中一些典型的研究結果。2008年，華東師范大學曾和平教授研究組通過1561 nm皮秒脈沖激光泵浦體塊PPLN晶體用于實現1.06 μm光信號到632.5 nm的頻率上轉換探測，僅通過棱鏡濾波和短通濾波器，在接近100%量子轉換效率下暗計數率僅為約150/s。2011年，J. S. Pelc等人研究了長波長泵浦下1550 nm上轉換探測器的性能表現，利用PPLN波導在86%的內部量子效率下，噪聲光子計數率為1000/s，在該工作中證明了噪聲光子起源于泵浦激光的拉曼散射噪聲，研究了不同泵浦波長和溫度下的噪聲光子特征，得出利用長波泵浦可以極大地壓低頻率遷移探測中的量子噪聲。2013年，美國標準技術局 P.S. Kuo等人研究了使用不同的濾波器對于頻譜遷移探測中量子噪聲的影響，對比了棱鏡對濾波、透射式全息光柵濾波和高效率窄線寬體布拉格光柵濾波下的噪聲大小，利用極窄的頻譜濾波可以有效地壓低噪聲，最后在70%內部波導轉換效率下，噪聲計數為600/s。結合長波泵浦和極窄濾波器，2013年，中國科學技術大學張強教授研究組在28.6%的系統探測效率下，暗計數率僅為100/s。除了近紅外波段的量子噪聲研究，在中紅外波段也開展了相應的研究。2018年，丹麥科技大學A. Barh等人研究了寬譜中紅外上轉換過程中熱噪聲對探測靈敏度的影響，構建了詳細的熱輻射模型，并且通過實驗進行了驗證，評估了不同晶體溫度下的熱輻射轉換噪聲大小。

頻率帶寬

對于部分應用場景，如雷達探測、定頻光信號探測對于頻率帶寬無特別要求，反而較窄點的頻率帶寬有助于信噪比的提升。然而，對于大范圍的光譜分析探測以及寬譜信號的檢測，對于接收帶寬是有要求的，大的接收帶寬可以極大地提升頻譜遷移探測器的工作波長范圍以及探測寬譜信號的響應靈敏度。頻率帶寬的拓展主要依賴于相位匹配函數的設計，對于準相位匹配晶體，通常采用的手段主要有溫度梯度法、啁啾極化和非共線準相位匹配方法。其中一些典型的研究進展包括：2008年，通過啁啾極化和絕熱近似演化，在近紅外通信波段實現了超過140 nm接收帶寬的頻譜遷移（如圖5（a）所示）；2017年，A. Barh等人通過PPLN晶體中非共線相位匹配，在中紅外波段實現了超過1200 nm的頻譜遷移探測。另外，對于角度匹配晶體，可以通過角度調諧或者多塊不同切割角晶體疊加的方式拓展頻率轉換帶寬（如圖5（b）所示）；M. Mrejen等人實現了寬譜多種顏色的中紅外圖像的頻譜遷移成像。

圖5 不同方式實現大接收帶寬頻譜遷移。（a）啁啾極化晶體；（b）多個不同切割角的晶體膠合在一起

空間帶寬

對于結構光場或者圖像的頻譜遷移探測需要使用體塊晶體。空間帶寬主要受限于晶體橫截面的尺寸和相位匹配函數。在晶體尺寸確定的情況下，增加空間帶寬的主要手段是調控相位匹配函數。增加相位匹配函數對于入射角大小的容忍度即可增加空間帶寬，與增加頻率帶寬相似，主要方法也包括溫度梯度法、寬譜泵浦方法、啁啾極化和非共線準相位匹配。主要進展包括：2018年，R. Demur等人通過寬譜泵浦，相對于窄帶單頻泵浦，視場角提升了3倍多，有效像素點增加了10倍；2022年，基于啁啾極化的方式，曾和平教授研究組在中紅外波段實現了約30°的頻譜遷移成像視場角（如圖6所示）。

圖6 基于啁啾極化晶體實現大視場頻譜遷移成像原理

頻譜遷移探測的主要應用場景

頻譜遷移探測對現有的直接探測是一種有效的補充手段，與此同時，在部分應用場景相對現有的直接探測器還能表現出一定的優勢。頻譜遷移探測的應用場景非常廣泛，下文分別從頻譜遷移在量子信息技術和在經典光學測量（如成像和光譜方面）的應用進行介紹。

頻譜遷移探測在量子信息技術中的應用

頻譜遷移探測在量子信息中的應用主要分為兩個方面：一方面頻譜遷移可以作為紅外單光子探測手段，早期主要用于解決近紅外波段尤其是通信波段缺乏高性能探測的問題，隨著超導探測器和銦鎵砷制冷探測器的性能水平提高，目前在通信波段頻譜遷移單光子點探測器的應用需求迫切程度在大幅度下降。但是在更長的中紅外波段，目前還缺乏有效的單光子探測器，頻譜遷移單光子探測是現階段的一種有效手段。丹麥科技大學研究組通過頻譜遷單光子探測實現了一對中紅外光子的符合測量。另一方面，用于量子信息技術研究的不同物理系統往往工作在不同的波長，為了實現量子態在不同物理體系間的傳遞和耦合需要彌補不同物理體系工作波長的差距，頻譜遷移具備改變量子態的波長而不改變所加載的量子態信息的特點，因此可以用于不同工作波長物理體系的量子態波長接口。在量子頻率接口方面，目前已實現了單光子量子比特、時間能量、偏振和軌道角動量糾纏態的量子波長接口。最近，德國H. Weinfurter組基于冷原子體系產生的光子結合高效率量子波長接口，實現了遠距離的量子糾纏交換（如圖7所示）。

圖7 利用頻譜遷移建立原子體系與通信波段信道之間的量子頻率接口

頻譜遷移探測在經典光學測量中的應用

頻譜遷移探測在經典光學的應用主要包括成像、光譜分析、激光雷達和通信等領域。在成像方面的典型應用包括：通過頻譜遷移實現了蠟燭火焰中紅外成分探測、大視場和高幀頻低噪聲的中紅外成像、邊緣增強成像（如圖8所示）以及高幀頻生物組織成像等。在光譜分析領域，可以通過頻譜遷移探測實現中紅外光譜儀，并且用于塑料和氣體泄露分析。此外，通過頻譜遷移探測還可以用于中紅外激光雷達以及高速中紅外光通信，促進關鍵指標參數的提升。

圖8 基于渦旋光泵浦在頻譜遷移成像過程中實現圖像邊緣增強

討論與展望

盡管頻譜遷移探測經過幾十年的發展在指標參數上取得了重要的進步，但是由于該系統中的部分指標參數間是相互制約的，比如噪聲、頻率帶寬、空間帶寬和轉換效率之間，在具體的應用中需要平衡各參數之間的關系。在近紅外波段1.0~2.5 μm的頻譜遷移點探測器性能相對成熟，指標可以達到較高的水平，中紅外波段的參數性能還有待于進一步挖掘和提升。在頻譜遷移面陣探測方面，目前還未實現單光子級的成像探測演示，在激光主動照明探測上研究的較多，對于非相干光場，尤其是寬譜黑體輻射光場的探測方面還有諸多問題需要進一步解決。此外，針對頻譜遷移探測系統的成像分辨率研究，雖然有初步工作，但是對于該系統成像分辨率的主要限制因素和可改善的方法方面目前還是空白，值得進一步挖掘。總之，在頻譜遷移探測方面還有一些值得挖掘和期待的研究可以開展，下面給出幾個在未來值得探索的研究方向：（1）基于頻譜遷移單光子探測可以用中紅外波段的量子光學和量子光譜的研究，該方面目前還處于待探索的領域；（2）將頻譜遷移與干涉儀技術相結合可以發展出一些新的光學測量方法，比如非接觸光子探測和光學相位放大；（3）在頻譜遷移的技術進一步成熟和小型化后，可以將大部分的光譜遷移到硅探測器的波段探測，這樣可以有效地降低部分光學系統的探測復雜度，對于工程技術應用具有重要的潛在價值。

這項研究獲得科技部重點研發計劃項目（2022YFB3607700、2022YFB3900027）、國家自然科學（11934013、92065101）、科技部科技創新2030-量子科學與科技項目（2021ZD0301100）和中國空間碎片研究項目（KJSP2020020202）的資助和支持。