第５１卷 第５期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．５ ２０２１年５月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｍａｙ，２０２１
文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０５ ０５３９ ０９
·综述与评论·
汪 韬１，２，马晓燠２，３
，杨奇龙３
（１ 中国科学院大学，北京１０００４９；２ 中国科学院光电技术研究所，四川成都６１０２０９；
３ 重庆连芯光电技术研究院有限公司，重庆４０００２１）
摘 要：综述了红外上转换成像技术的研究进展。与直接红外成像技术相比，红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等一系列优点。红外上转换成像技术是结合频率上转换技术与可
见光高性能探测器的一种具有巨大潜力的技术，随着近年来非线性频率转换取得的重大进步，人们对应用于红外或近红外光谱成像的上转换技术进行了大量的研究。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述，随后分别介绍了提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场的不同方法，并简单叙述了其他有关的红外上转换成像研究工作，最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。关键词：上转换成像；转换效率；空间分辨率；视场 中图分类号：ＴＮ２１９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０５．００１
Ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ
ＷＡＮＧＴａｏ１，２，ＭＡＸｉａｏ ｙｕ２，３，ＹＡＮＧＱｉ ｌｏｎｇ汇源果汁债务压顶
３
（１ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ；
２ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２０９，Ｃｈｉｎａ；
３ ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＣｏ ＣｏｒｅＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ ＬｔｄｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｇｅｎｅｒａｌｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓａｓｅｒｉｅｓｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｉｔｉｓｃｏｎｖｉｎｃｅｄｔｏｂｅａｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｉｔｈｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓｉｎｔｈｅｖｉｓｉｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍｒｅｇｉｏｎ Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｎｏｎ ｌｉｎｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｃｑｕｉｒｅｄｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｕｐ ｃｏｎ ｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｉｎｆｒａｒｅｄｏｒｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｕｐ ｃｏｎ ｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｉｓｂｒｉｅｆｌｙｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ
ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｏｆｔｈｅｕｐ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｏｍｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｉｓｂｒｉｅｆｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｄ；ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ；ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ
作者简介：汪 韬（１９９３－），男，博士研究生，主要从事非线性频率转换方面的研究。Ｅ ｍａｉｌ：１０５２７１４８４４＠ｑｑ ｃｏｍ
收稿日期：２０２０ ０６ １２；修订日期：２０２０ ０８ １７
毕晓普１ 引 言
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［
１］、国防军事［２］、气体分析［３］和量子信息［４］
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［
５－６］、半导体探测器［６－８］
或超导纳米线探
测器［９－１０］。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引起了人们的注意。１９６８年，Ｍｉｄｗｉｎｔｅｒ首次实现了从短波红外１ ６μｍ到可见光４８４ ２ｎｍ的参量上转换成像，他利用输出功率为０ ５Ｗ的红宝石激光器泵浦氙灯照射的目标在ＬｉＮｂＯ
３
晶体中进行上转换，并利用柯达相机采集上转换图像，获得了５０线的空间分辨率和１０－７的转换效率［１１］。然而，受到晶体材料、泵浦功率和探测器性能的限制，这项技术在１９７０年后几乎无人问津。 ２１世纪以来，随着频率上转换技术的快速发展，上转换成像技术重新引起了人们的兴趣。２００２
年，ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＤ Ｂｒｅｗｅｒ等人［１２］在利用ＬｉＮｂＯ
３
晶体实现激光雷达红外回波信号到可见光的上转换接收机中，通过使用微透镜阵列使系统的视场增加了６％，光束耦合效率提高了１８％。２００４年，ＤａｖｉｄＪ Ｍ Ｓｔｏｔｈａｒｄ等人［１３］实现了紧凑的、泵增强的和连续波光学参量振荡器的用于气体主动实时高光谱成像的可调谐系统。２０１０～２０１１年，Ｂｅｎｏ ｔＣｈａ ｌｏｐｉｎＳ ［１４］、Ｂｏｎｏｒａ［１５］、
ＭａｒｋＤ Ｐｅｔｅｒｓｅｎ［１６］等人分别使用自成像谐振腔增强、氧化钒薄膜层中的高对比度光开关和用ｋＨｚ放大激光系统实现了二次谐波图像上转换。２０１５年，Ａ Ｊ Ｔｏｒｒｅｇｒｏｓａ等人［１７］通过放大自发辐射（ＡＳＥ）光纤光源照射的１５５０ｎｍ波长的入射图像和频得到视场显著增强的上转换像。２０１８年，Ｈ Ｍａｅｓｔｒｅ［１８］、ＤｉｓｍａｓＫ Ｃｈｏｇｅ［１９］等人利用ＰＰＬＮ晶体温度梯度诱导啁啾的可重构性实现红外图像上转换，分别增强了上转换图像的视场和拓宽了输入红外波的光谱接收范围。２０２０年，ＪｕａｎＣａｐ ｍａｎｙ等人［２０］通过在泵浦光束腔内放置一个通过对相位匹配条件瞬态电光抑制的非线性晶体，实现了对上转换图像的快速、灵活实时选通的内腔非线性图像选通上转换系统。２００９至今，丹麦技术大学光
子实验室的Ｃ Ｐｅｄｅｒｓｅｎ团队对上转换成像技术进行了大量研究，他们对提高图像上转换的效率［２１，２７］、空间分辨率［２３－２７］、视场［２６］和噪声特性［２７］等方面进行了详细的研究。
上转换成像技术的图像视场、空间分辨率、上转换效率、噪声和成本是阻碍其实际应用的关键因素。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述，随后介绍了提高上转换成像技术性能的不同方法并进行了比较，最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。
２ 红外上转换成像技术原理魔鬼双面人
沸腾的黄土地
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［２８］。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。
红外上转换成像技术的基本原理如图１（图片改编自文献［２２］）所示，角频为ω
１
的红外照射的目标形成目标图像，携带目标信息的红外光子与角频
为ω
ｐ
的泵浦光子由二向镜ＤＭ合束，由透镜Ｌ１
耦合到非线性晶体中，通过和频产生频率ω
ｕｐ
的上转换图像，并由透镜Ｌ２将上转换的图像投影到的探测器Ｄ
上。
图１ 上转换成像技术原理
Ｆｉｇ １Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ
上转换图像的分辨率随非线性晶体内上转换激光模式的大小而变，根据文献［２１］、［２２］中推导出的理论模型，上转换成像系统的点扩散函数（ＰＳＦ）可由下式描述：
ＰＳＦ＝
απｗ２０
λ２３ｆ２１
ｅｘｐ－απｗｒ
λ３
()
ｆ
[]２（１）
０
４
５激光与红外 第５１卷
其中，α＝１是相干照明；α＝２是非相干照明；ｗ０是腔内泵浦场的束腰半径；λ３是上转换波长；ｆ１是透镜Ｌ
２的焦距；ｒ是到光轴的径向距离；ｗ是假定在整个非线性相互作用长度内恒定的本振激光束半径；
ｆ是透镜Ｌ１的焦距。由点扩展函数可以知，非相干照明上转换图像的分辨率是相干照明的槡２倍。
此外，影响分辨率的几何参数是激光束的尺寸和Ｌ２的焦距。
在系统的光学损耗和非线性损耗可以忽略的情况下，红外图像上转换到可见光的量子效率主要由频率转换的效率和可见光相机的量子效率决定。在相干光源照明的情况下，束腰尺寸与量子效率成反比。对于图１所示的非线性晶体位于４ｆ系统的中心的情况，假设目标受单源照明，共焦长度大于晶体长度ｌｃ，上转换图像的强度Ｉｕｐ可由下式描述：
Ｉｕｐ＝Ｃｆ
２
ｗ２０
·Ｐｐ·ＥＩＲｘ／Ｍ，()ｙ／Ｍ ＰＳＦ２（２）
式中，Ｐｐ是泵浦强度；ＥＩＲ是输出图像的电场强度；ＰＳＦ为系统的点扩展函数，Ｍ＝－λ３ｆ１／λ１ｆ是成像系统的缩放因子；Ｃ是与上转换效率相关的系数，由下式计算所得：
Ｃ＝８πｄ２ｅｆｆλ２１ｌ２
ｃ
ｎ２ｎ３
ｆ２１λ４
３（３）
其中，ｄｅｆｆ是非线性晶体的有效非线性系数；λ１是输入图像的光谱波长；ｎｉ＝１，２，３分别表示输入图像、泵浦和上转换的波长。
当使用非相干源照明目标时，值得注意的是点扩散函数作用于目标图像的强度，而不是相干源照明时目标场的电场。因此，上转换图像强度为：Ｉｕｐ＝Ｃ
·πｎ１ｃε０
Ｐｐ·ｓｉｎｃ２
Δｋｌｃ
／()２·ＩＩＲｘ／Ｍ，()ｙ／Ｍ ＰＳＦ
（４）
其中，ｃ是真空光速；ε０是真空介电常数。
相干照明时上转换图像强度与束腰半径ｗ０成反比，与之相比，非相干照明时上转换的图像强度与光束大小ｗ０完全无关。上转换成像系统光学传递函数（ＯＴＦ）是ＰＳＦ的傅里叶变换，这意味着晶体内部的激光束形状决定了ＯＴＦ。另一个有趣的特征是，式（
４）不是ｆ的函数，只是作为图像的放大系数，这也与相干情况形成对比［２２］
。
３ 红外上转换成像技术研究现状
与直接红外成像技术相比，红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等。图像上转换的转换效率、空间分辨率、视场以及噪声特性是影响其实际应用的关键因素。近年来，人们对提高红外上转换成像系统的性能进行了大量的研究，并取得了众多高水平的研究成果。本节分别介绍了人们在提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场方面作出的研究工作，以及其他方面的研究成果。
３ １ 高转换效率图像上转换
在高灵敏度的应用中，图像上转换的效率尤为重要。图像上转换的理论表明了增强泵浦强度可以有效提高转换效率，因而采用腔增强、多通等方式可以增加上转换图像的转换效率。随着晶体生产和掺杂等晶体学技术的发展，具有大非线性系数、高损伤阈值和极化周期多样等具有优良性能的晶体在频率转换领域得到广泛应用。采用腔增强、双共振、多通和多块晶体级联等方式，图像上转换的效率逐渐提高。
Ｃ Ｐｅｄｅｒｓｅｎ等人［２１］
证明了将一幅完整的电磁
光谱图像转换成一个新的期望波长区域的高转换效
率方法，图２为实验装置图［
２１］
。他们用７６５ｎｍ高斯光束照射金属透射掩模产生图像，然后将图像聚焦在１３４２ｎｍ固体Ｎｄ∶ＹＶＯ４激光器的高腔内场中的非线性ＰＰＫＴＰ晶体中，生成４８８ｎｍ处的上转换图像。采用连续波泵浦和非共线准相位匹配技术，实验实现了４
０％
的上转换效率。图２ 实验装置示意图Ｆｉｇ ２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｅｔｕｐ
２０１５年，华东师范大学的唐瑞凯等［２９］
人验证
了分别使用空间物体和相位物体，在同步脉冲泵浦系统少光子水平的二维近红外成像过程中，强度和相位信息的空间分布得到了很好地保留。在背景噪
声为１
５×１０３计数／秒（ｃｐｓ）的情况下，对于强度调制的二维图像，量子转换效率达到２７％。对于轨道
１
山下智久生田斗真４５激光与红外 Ｎｏ．５ ２０２１ 汪 韬等 红外上转换成像技术研究进展
角动量为１°的相位调制光子束，在背景噪声为３ ８×１０３ｃｐｓ的情况下，他们得到了６８％的量子转换效率。最后，在１２ ５％量子转换效率和１ １×１０３ｃｐｓ背景噪声的条件下，实现了３ ３９μｍ的中红外成像。
２０１７年，黄楠等人［３０］报道了一种非相干连续波弱光源从中红外光到近红外光的实验转换成像，其最低输入功率为３１ｆＷ。在窗口波长为２ ９μｍ到３ ５μｍ的可调电源的热灯泡的发光的非相干中红外图像用于上转换。在周期极化铌酸锂（ＰＰＬＮ）晶体周围８０６ｎｍ的ＬＤ泵浦１０６４ｎｍ的激光腔中实现了和频产生。利用硅基摄像机对波长范围为７８５ｎｍ、分辨率约为１２０×７０像素的红外图像进行低噪声检测。通过优化系统参数，预测了正确偏振、轴上和相位匹配光的上转换量子效率为２８％。
然而，由于受到矫顽电场的影响，目前周期极化非线性晶体的厚度只有ｍｍ量级，不利于实现高空间分辨率和大视场上转换成像。掺杂有利于降低非线性晶体的矫顽电场，更大通光孔径的非线性晶体的将有效弥补上转换成像系统在这方面的缺点。
３ ２ 高空间分辨率图像上转换
在实际中，泵浦光是一个有限尺寸的光束，它影响甚至决定了系统的ＰＳＦ。通常，泵浦光束腰直径小于晶体的横向尺寸，并且上转换发生在晶体内部信号光和泵浦光重叠的区域中；因此，泵浦光尺寸决定了空间分辨率。由式（１）的点扩散函数可知，非线性晶体内上转换激光模式的大小越大，上转换图像的空间分辨率越高，然而，相干源照明时的图像上转换功率与光束半径的平方成反比。对于非相干源照明情况，上转换图像强度与束腰半径无关，并且非相干源具有更大的激光模式。这表明，非相干源照明目标可以得到增强上转换强度的同时实现上转换图像的高空间分辨率。
根据这一原理，２０１０年，Ｊ Ｓ Ｄａｍ等人［２４］把ＰＰＫＴＰ晶体置于半导体激光器泵浦Ｎｄ∶ＹＶＯ
４
晶体的激光腔内，利用２５Ｗ标准照明灯泡的灯丝经７５０ｎｍ带通滤波器滤波后作为目标图像，由
ＣＣＤ相机探测上转换图像，实现了热照明物体超过２００×１０００像素的分辨率，系统的量子效率为１０－４，图３为上转换实验结果［２４
］
图３ 上转换实验结果
Ｆｉｇ ３Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ
随后，Ｊ Ｓ Ｄａｍ等人提出了一个非相干图像上转换的综合理论，并对相干和非相干源照明图像上
转换进行了比较［２２］。实验结果如图４所示［２２］，其中图４（ａ）是非相干源照明目标时上转换图像，图４（ｂ）是理论计算出非相干源照明的上转换图像，图４（ｃ）是理论计算出的相干源上转换图像。从实验结果可以看出非相干源照明时具有比相干源更高的空
间分辨率。
图４ 相干和非相干源照明标准分辨率
目标的上转换实验结果
Ｆｉｇ ４Ｃｏｈｅｒｅｎｔａｎｄｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
３ ３ 视场增强上转换成像
成像系统的视场是其关键参数之一，成像系统的视场越大，成像范围更广。特别是对于利用扫描元件或扫描镜对目标物以瞬时视场为单位进行逐行逐点采样的扫描成像，上转换器的视场角必须近似等于或大于红外光谱入射角。上转换过程的视场大小受到非线性晶体的有限角度接受的制约。一方面，角度接受受到非线性晶体有限截面尺寸的限制；另一方面，用于频率转换的非线性晶体中非共线相位匹配是角度敏感的，准相位匹配过程的角接受带宽限制了更大角度光束的上转换。
３ ３ １ 宽带光源
上转换角度越宽，上转换图像中的视场（ＦｏＶ）越大。然而，非共线相互作用中的上转换角度是波长敏感的，宽带光源将允许相位匹配条件扩展到更宽的入射角，因此，远离光轴的不同波长的目标点将
２
４
５激光与红外 第５１卷
被有效的上转换。图像上转换技术中，激光照明可以提供比热源更高的照明亮度，然而，宽带和多波长源可以产生平滑和加宽的视场。
最近，Ｄｅｍｕｒ等人［３１］提出了通过调整泵浦光谱来提高ＦｏＶ的替代方案。他们使用带宽几纳米的宽带激光在一次采集（采集时间＝２０μｓ）中上转换由１５６３ｎｍ的连续激光照射的整个物体（宽视场），利用ＱＰＭ技术在ＰＰＬＮ晶体中实现图像上转换。
２０１５年，Ａ Ｊ Ｔｏｒｒｅｇｒｏｓａ报道了一种将放大自发辐射（ＡＳＥ）光纤光源照射的１５５０ｎｍ波长（人眼安全）的入射图像与连续波二极管泵浦Ｎｄ３＋：ＧｄＶＯ
４
激光器产生的１０６４ｎｍ高斯光束混合，在周期极化的铌酸锂（ＰＰＬＮ）晶体中进行和频得到６３１ｎｍ的红光光谱区附近的上转换像，并利用非增强型ＣＣＤ相机实时捕捉图像的系统［１７］。相对于使用相干激光照明进行上转换，ＡＳＥ照明的使得视场（ＦＯＶ）显著增加。如图５所示［１７］，每个图案底部的波矢量图说明了不同入射角和不同红外照明波长所达到的相应ＱＰＭ峰值条件。图５（ｄ）显示了使用ＡＳＥ照明时产生的情况。与用于激光照明的图５（ａ）相比，可以在上转换图像中的ＦＯＶ明显的增加。这是由于ＡＳＥ光源的光谱更宽，它为每个上转换的
输入角提供了必要的波长。
图５ 不同条件下调谐的照明激光束获得的上转换图案
Ｆｉｇ ５Ｕｐ－ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｐａｔｔｅｒｎｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍａｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ
ｌａｓｅｒｂｅａｍｔｕｎｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
３ ３ ２ 热梯度
图像上转换器的视场与要上转换的红外辐射的波长光谱含量紧密相关。因此，二维图像上转换需要在非共线准相位匹配（ＮＣＱＰＭ）过程中加入一组不同的入射角。因此，需要一个多波长的光源来上转换尽可能多的红外入射角。上述的研究表明，在适当的光谱整形下，宽带或多波长源可以在图像上转换器中产生平滑和加宽的视场。然而，通过在ＰＰＬＮ晶体的两端加入热极和冷极形成的热梯度会导致晶体中的折射率梯度，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拓宽ＱＰＭ的带宽。波矢量失配的这种变化也是啁啾ＰＰＬＮ光栅的一个特点，因此，这种技术与宽带源等效，特别是，热梯度允许重构晶体中的非线性过程。
２０１６年，Ｈ Ｍａｅｓｔｒｅ等人［３２］提出了一种利用晶体热梯度增加单源照明目标的图像上转换视场的方法。随后他们在２０１８年进行了相关实验，实验装置的原理图如图６所示［１８］。在他们的工作中，探讨了在使用单波长激光照明时，将热梯度应用于ＰＰＬＮ晶体有助于拓宽上转换器的角度接受范围，以增加上转换器的视场。与单波长光源照明相比，宽带光源照明降低目标图像的亮度。因此，在某些需要更大视场和更远距离照明的场合中，采用单波长照明源结合晶体热梯度的技术比采用宽带光源更有
优势。
图６ 晶体热梯度的１ ５５ｕｍ照明上转换器
Ｆｉｇ ６Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｆｏｒｔｈｅｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＩＲ
ｉｍａｇｅｓｕｎｄｅｒＰＰＬＮｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ
３ ３ ３ 晶体角度调谐
以往实现单上转换成像的一个显著缺点是需要大量的后处理以获得大视场（ＦｏＶ），这妨碍了它用于快速２Ｄ数据采集或实时视频帧速率成像。Ｓ Ｊｕｎａｉｄ等人［３３］首次提出了一种无需对图像进行后处理、以视频帧速率（４０Ｈｚ）工作、具有放大视场的单中红外上转换成像系统。实验装置如图７［３４］所示，其中皮秒ＯＰＯ的闲频光束用作照明源，同步皮秒１０６４ｎｍ激光源用作泵浦源。光束在空间和时间上重叠在非线性晶体（铌酸锂）中以实现高效的上转换。通过同步改变晶体相对于ｚ轴的旋转角度和相机积分时间来扫描相位匹配条件。在他们的实验装置中，使用切向相位匹配应用１°晶体角度调谐，在上转换图像中获得６４ｋ像素，与非角度调谐装置相比，ＦｏＶ增加了５倍，空间可分辨元素数量增加了２５倍。
３
４
５
激光与红外 Ｎｏ．５ ２０２１ 汪 韬等 红外上转换成像技术研究进展电力宽带
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