[发明专利]一种超灵敏红外高分辨三维成像技术

权利要求书

1.一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，该系统包括：时域脉冲同步光源产生模块(1)、信号光(2)、泵浦光(3)、延时模块(4)、控制模块(5)、信号光扩束模块(6)、泵浦光准直模块(7)、反射镜(8)、成像物体(9)、凸透镜(10)、CCD(11)；其中，由时域脉冲同步光源产生模块(1)产生时域脉冲同步的成像信号光(2)与泵浦光(3)，信号光(2)经过扩束模块(6)进行光斑扩大，后照射至成像物体(9)，其漫反射的光经凸透镜(10)收集于CCD(11)上，泵浦光(3)经过延时模块(4)，后经准直模块(7)进行光束准直，通过反射镜(8)反射至CCD(11)上，通过控制模块(5)控制延时模块(4)使泵浦光脉冲与信号光脉冲时域脉冲重合地被CCD(11)所探测实现基于长波泵浦的非简并双光子吸收的超灵敏成像，通过控制模块(5)控制延时模块(4)扫描使成像物体(9)不同位置漫反射出的脉冲与泵浦脉冲进行时域脉冲重合从而获得高时间分辨的三维成像结果。

2.如权利要求1所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述信号光(2)为脉冲红外光，所述泵浦光(3)为长波红外光脉冲，信号光与泵浦光需满足以下条件：第一、第二、第三、其中ω_s为红外信号光子的频率，ω_p为长波红外泵浦光子的频率，E_g为硅基半导体材料的禁带宽度。

3.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述时域脉冲同步光源产生模块利用一定波长的脉冲光在PPLN(周期性极化铌酸锂晶体)上发生自发参量下转换从而得到成像信号光与泵浦光，通过改变PPLN的反转周期及温度可以获得不同波长的成像信号光与泵浦光。

4.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于延时模块(4)包括步进电机、反射镜、三维调整架，目的在于改变泵浦光脉冲到达CCD的时间，从而与成像物体(9)不同位置漫反射出的光脉冲进行时域匹配，实现时间高分辨成像。

5.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于延时模块由控制模块(5)驱动工作，控制模块(5)为计算机控制程序；或延时模块通过手动延时调节。

6.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于扩束模块(6)为红外成像信号光的扩束模块，根据信号光的波长及成像物体(9)的大小选择合适材料及焦距的扩束透镜组，使信号光能够覆盖成像物体(9)。

7.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于准直模块(7)为红外成像泵浦光的准直模块，根据泵浦光的波长选择合适材料的扩束透镜组以减少损耗，使最终进入探测器的光斑能够覆盖住信号光。

8.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述的反射镜(8)用于改变光路走向。

9.一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述成像方法应用于权利要求1至8中任意一项所述的超灵敏红外高分辨三维成像系统；包括以下步骤：利用非简并双光子吸收技术提高探测灵敏度、以长波红外光作为泵浦以压制低阶光子吸收噪声、利用同步脉冲探测获得高纵向分辨能力。

10.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的非简并双光子吸收技术，即使用不同波长的光在探测器材料表面发生双光子吸收，相比于简并的双光子吸收其吸收系数更高，具有灵敏的探测效率。

11.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的长波红外光作为泵浦即选择低于半导体材料中间带隙波长的光作为泵浦来消除低阶光子吸收背景噪声。

12.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的利用同步超快脉冲获得高纵向分辨能力，即利用信号脉冲与不同时间到达探测器的泵浦脉冲发生非简并双光子吸收，从而反映出成像物体不同位置的纵向深度信息， 同时，超快脉冲具有更高的峰值功率，进一步提升非简并双光子吸收效率。