[发明专利]一种阵列单光子频率上转换装置

说明书

本申请提供了一种阵列单光子频率上转换装置，包括：二向色分束镜，微透镜阵列，阵列输入耦合镜，PPLN晶体，阵列输出耦合镜；二向色分束镜，用于信号光和泵浦光在空间上的耦合；微透镜阵列，用于分割信号光和泵浦光，并将分割后的光波聚焦在晶体的中心；阵列输入耦合镜，用于耦合多路信号光和泵浦光到阵列谐振腔中；PPLN晶体，用于非线性频率转换的介质，其具有比较大的有效非线性系数和损伤阈值；阵列输出耦合镜，用于输出和频光；其中阵列输入、输出耦合镜构成阵列谐振腔，用于增强泵浦光在腔内的功率，提高转换效率；实现高转换效率，通过微透镜阵列对信号光进行分割而提高信号光的视场角，在一块晶体中实现多路的高效频率上转换光输出。

技术领域

本申请涉及非线性频率上转换技术领域，具体而言，涉及一种阵列单光子频率上转换装置。

背景技术

红外或近红外，尤其是光通信波段的光子波长处在大气和光纤的低损耗传输窗口，在生物医学成像、国防军事、气体分析和量子信息领域具有广泛地应用。目前最先进的直接红外探测器有热传感器、半导体探测器或超导纳米线探测器。热传感器成本低廉，由于其响应速度慢、灵敏度低，只能用于对精度和速度要求不高的场合；半导体探测器灵敏度高，但需要冷却操作和精密处理；超导纳米线探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，但是在几mK到K的极低温度下工作，成本高昂。

与之相比，可见光波段的单光子探测器件(Si-APDs、PMTs)和CCD传感器具有量子效率高、暗计数低以及响应快的特点。因此，有效地将中、近红外光上转换为可见光，并利用可见光高性能的探测器探测的上转换技术是一种替代直接红外成像技术的有效手段。

红外上转换成像是利用非线性光学和频过程，将红外照明的图像上转换为可见光光谱，同时保持其量子特性的不变，然后利用可见光谱范围具有更好性能的图像传感器成像。与现有的红外光谱范围和THz区域的成像传感器相比，上转换成像技术可以获得实时的、全非扫描的二维图像。这种方法充分利用了可见光波段图像传感器在噪声、速度、分辨率或非制冷操作方面更优的性能，克服了红外图像传感器暗噪声高、需制冷等缺点，可以实现红外图像高灵敏度、高分辨率成像。

二维图像的视场、空间分辨率以及上转换效率是评价红外上转换成像技术优劣的关键指标。

目前，增强上转换成像视场的有效方法主要有宽带光源、晶体热梯度和晶体旋转等。其中，宽带光源是利用非共线相互作用中的上转换角度的波长敏感性实现更多角度的准相位匹配，从而实现增大二维图像的视场，然而与单色激光源相比，宽带光源照明目标亮度更低，不利于中远距离的系统使用。晶体热梯度通过在PPLN(Periodically PoledLithium Niobate，周期极化铌酸锂晶体)晶体的两端加入热极和冷极形成的热梯度使晶体中的折射率成梯度分布，从而引起相互作用波的波矢失配，这种机制可以在单波长源照明时有效增强上转换图像的视场，它的缺点是晶体中热分布的不均匀性将导致上转换效率的降低。

在实际应用中，泵浦光的有限尺寸决定了图像上转换系统的空间分辨率，目前增强图像上转换的空间分辨率的唯一方式是用非相干光源。

常用于提高图像上转换的效率的方法是通过提高泵浦光的功率以及腔内泵浦和外腔增强的方式。然而，腔增强的高效率图像上转换的视场和空间分辨率均受到复杂腔结构的制约。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种阵列单光子频率上转换装置，利用微透镜阵列对入射信号光分割以增大入射空间信号光的视场和采用阵列谐振腔提高多路泵浦光功率以获得高转换效率，在一块PPLN晶体中实现多路的单光子频率上转换。

一种阵列单光子频率上转换装置，包括二向色分色镜，微透镜阵列，阵列输入耦合镜，PPLN晶体，阵列输出耦合镜；

所述二向色分色镜，用于信号光和泵浦光在空间上的耦合；