[发明专利]基于全保偏同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测系统

说明书

本发明涉及一种基于全保偏同步脉冲泵浦的单光子红外频率上转换探测系统，系统采用全保偏结构的主从激光器，受益于其中保偏光纤的偏振态稳定，可使主从激光器具有稳定的保偏输出，抗环境干扰能力强，可实现长时间稳定运行；激光器采用主从结构，利用注入式的全光同步方式，减小了两激光器之间的互相串扰；且从激光器是基于非线性环路镜的全保偏同步锁模机制，无需优化注入光偏振状态和激光器腔内的偏振演化，即能实现长期稳定的同步锁模超快脉冲输出；从激光器腔内采用光栅对来控制腔内色散量，对同步脉冲进行时频域精密的控制，从而得到高效率的单光子频率上转换。

技术领域

本发明涉及超灵敏红外探测技术，特别涉及一种基于全保偏同步脉冲泵浦的单光子红外频率上转换探测系统。

背景技术

近年来，红外单光子探测在光通信、光雷达、激光测距、激光制导、量子信息学、物质检测与分析等诸多实际应用中发挥着重要的作用，既具有民用技术的普遍性，又有国防科技的特殊性。当前，红外单光子探测器性能优越，但其造价高昂，且严苛的低温工作环境大大限制了其应用的推广和商业化。半导体材料制成的红外探测器，如铟镓砷雪崩光电二极管，可在常温下稳定工作，造价也适中，但是其红外探测效率一般为20％-30％，且暗计数、后脉冲等问题也颇为严重。相对而言，硅雪崩光电二极管具有高探测效率和低暗计数的优越性能，然而探测范围仅在可见光区域。近年来，新兴的频率上转换探测器引起了广泛关注，它利用非线性和频过程，将红外信号光子一对一地转换到可见光波段，然后利用性能卓越的硅单光子探测器探测，实现了红外波段的超灵敏探测，规避了红外探测器自身的缺陷。

特别地，同步脉冲泵浦的单光子频率上转换探测器，利用泵浦光场的脉冲激发，既能充分利用极高的峰值功率，又能将参量荧光噪声限制在极小的时间窗口，展示了室温工作、高效率、低噪声的优点。目前，超短脉冲同步技术可大致分为主动式和被动式两类。主动同步主要采用基于模拟电路的电子学主动反馈技术，该方法的控制系统复杂，易受到光电探测器、混频器、滤波器、压电陶瓷制动器等器件的影响。而被动同步方案受限于非线性偏振旋转(NPR)锁模机制，同步激光器腔体主要使用非保偏光纤和器件构成，易受环境扰动。更为严重的是，由于非线性频率转换往往对光场偏振敏感，使得转换效率无法获得长期的稳定，严重地阻碍了其在更多实际场合的应用。

因此，发展一种具有全保偏结构、时频域精密控制、长期稳定运行的同步泵浦频率上转换探测器是当前实现红外超灵敏探测亟待突破的研究难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提供了一种基于全保偏同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测系统，该系统具有全保偏、时频域精密控制、长期稳定运行等优点。

为此，提供了一种基于全保偏同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测系统，包括主激光器、从激光器、衰减器、二阶非线性介质和可见光探测器，从激光器输出的超短红外脉冲经衰减器后与主激光器输出的超短红外脉冲汇合于二阶非线性介质中，从而产生可见光子，该可见光子被可见光探测器探测；

主激光器内部对超短红外脉冲进行分束，分束后的一部分脉冲即为所述主激光器输出的超短红外脉冲；

从激光器具有非线性环路镜，从激光器自产有红外脉冲，从激光器自产的红外脉冲和主激光器分束后的另一部分脉冲分别被注入所述环路镜中；其中相伴而行的脉冲会发生非线性交叉相位调制，从而获得显著的非线性相移，如此，可对从激光器脉冲进行周期性调制，最终获得同步的锁模脉冲；

环路镜的内部光路中串接相位延迟器，相位延迟器用于提供顺时针脉冲与逆时针脉冲之间相位差，确保逆时针脉冲和顺时针脉冲会在光纤分束器处发生干涉，保证从激光器脉冲中心部分能够在从激光腔内形成振荡，最终输出锁模的超短脉冲；