平场高帧频

华东师大曾和平教授与黄坤研究员课题组在中红外高速光谱探测方面取得重要进展，发展了宽波段、超灵敏、高帧频的中红外上转换光谱测量技术，其具有逼近量子极限的单光子探测灵敏度和近百万帧每秒的光谱刷新率，可为燃烧场分析、高通量分选和化学反应跟踪等应用所需的高速灵敏红外光谱测量提供支撑。相关成果以《High-Speed Mid-Infrared Single-Photon Upconversion Spectrometer》为题于2023年5月9日在 Laser & Photonics Reviews 在线发表。中红外波段包含众多分子振转能级跃迁的特征谱线，是分子的“指纹”光谱区。高灵敏、高速率的中红外光谱技术在天文观测、药物合成和环境监测等诸多应用中具有重要应用。然而，传统中红外光谱仪的性能往往受到探测器灵敏度及宽带光源亮度的限制。长期以来，实现高信噪比的中红外高速光谱测量，一直都是红外光谱领域的研究热点。近年来，频率上转换技术为红外灵敏探测提供了一种有效方案。该技术通过非线性过程将中红外波段转换到可见光或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器实现信号的灵敏捕获。当前，实现宽带光谱范围内的高转换效率与低背景噪声仍颇具挑战。迄今，单光子水平的超灵敏中红外光谱测量仍局限在较窄的光谱范围内，单次测量谱带一般仅为数十纳米。此外，基于热辐射或参量荧光作为照明源的上转换光谱仪，其较低的光谱亮度使得光谱探测速率受限。因此，实现宽波段、超灵敏、高帧频的中红外上转换光谱探测仍具挑战，亟需发展高亮度中红外光源、高效率频率转换和低噪声光子探测等关键技术。图2：宽波段中红外单光子上转换光谱仪示意图为此，研究团队构建了具有单光子探测灵敏度和亚兆赫兹刷新率的宽带中红外上转换光谱仪（图2）。在中红外光源制备方面，利用氮化硅（Si3N4）光子波导制备出覆盖1.5-4.2 μm的宽光谱中红外超连续谱光源，相对传统热辐射光源具有更好方向性、更优光束质量以及更高光谱亮度，且通过波导结构色散调控与泵浦光场时频控制，可以实现光谱覆盖范围以及光谱平坦度等参数的定制与优化（图3）。此外，相对于基于固态光学参量振荡器的中红外制备方式，基于光学波导集成的超连续谱源可以直接兼容光纤激光，为发展高集成、高稳定的中红外宽带相干光源获取提供了有效途径，有助于提升后续光谱测量的信噪比与刷新率。图3：基于氮化硅光子波导的中红外超连续谱产生，光谱覆盖范围1.5-4.2 μm在中红外光谱探测方面，研究人员发展了同步脉冲泵浦的非线性频率上转换探测技术，通过制备与红外信号光子时域高精度同步的泵浦脉冲，在啁啾性极化铌酸锂非线性晶体中实现了1700 nm超宽带的中红外高效转换，然后借助高性能可见光/近红外分光与探测器件，实现了高分辨、高灵敏的中红外光谱测量（图4）。为了进一步压制参量荧光噪声与环境背景噪声，研究人员结合高效空间滤波与光谱滤波技术，获得了高达210 dB的噪声抑制比，利用硅基EMCCD最终获得了0.2光子/纳米/脉冲的超灵敏度中红外光谱，光谱分辨率为5 cm−1。进一步地，得益于高亮度的宽带中红外源、高效率的频率转换以及高抑制比的噪声滤波性能，研究者利用高性能硅基CMOS相机实现了高达212,500帧的光谱采集速率，比此前相关报道在相同信噪比下提高了至少一个数量级。图4：宽波段中红外上转换光谱，探测灵敏度达0.2光子/纳米/脉冲值得一提的是，所发展的中红外光谱仪利用硅基探测阵列，能够在室温条件下工作，有助于其在实际应用中的稳定运行。在未来工作中，可将直波导换成双芯氮化硅波导，从而产生更加平坦的中红外超连续谱；通过优化频率转换泵浦脉冲的光谱宽度，利用啁啾脉冲非线性上转换技术，可以进一步提升系统的光谱分辨率；同时，将面阵列COMS相机换成线阵列，有望将光谱采集速率提高到MHz以上。该光谱仪具备的宽带光谱覆盖、单光子灵敏度和　兆赫兹刷新率等性能可为燃烧场分析、高通量分选和反应跟踪等领域的红外瞬态光谱测量提供有力支撑。本项成果得到了上海大学郭海润教授团队的支持，论文第一作者为博士研究生郑婷婷，通讯作者为黄坤研究员与郭海润教授。近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外光子非线性测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外单光子上转换成像技术、中红外非线性广角成像技术、中红外单光子单像素成像等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师大的资助。

2022年8月26日，由国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）副主任谢心澄院士带队，化学科学部组织专家对拟资助的国家重大科研仪器制项目（部门推荐）“基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置”进行了现场考察，该项目由上海交通大学齐飞教授牵头负责。自然科学基金委化学科学部和计划与政策局相关工作人员，项目推荐部门教育部、依托单位上海交通大学及合作单位相关领导和项目组成员出席。 谢心澄副主任指出，专家组要对项目全面考察、严格把关，推动项目按期完成，项目依托单位和合作单位要为项目实施提供充分的政策支持和条件保障，期待通过本项目的实施，切实提升我国先进发动机燃烧研究的综合水平和国际地位。 化学科学部常务副主任杨俊林指出，原创仪器研制是产出创新科技成果的重要基础，科学仪器研制需要面向国家需求和科学前沿，以解决基础科学问题为目标，全面支撑我国科技原始创新能力的提升，为我国基础研究的发展提供强有力的手段和工具。同时，他强调了项目实施质量、建设条件保障和科技资源共享的重要性。 上海交通大学常务副校长丁奎岭院士代表依托单位感谢自然科学基金委对该项目的支持，强调上海交通大学将落实好依托单位责任，在各个方面全力支持和保障该项目的实施。 齐飞教授代表项目组汇报了项目的科学目标、研制方案、保障条件和研制基础，现场回复了专家组质询。随后，专家组实地考察了上海交通大学激光燃烧诊断实验室和拟建设的装置场地，并根据项目申请材料、负责人汇报和现场考察情况，提出了考察意见和项目实施建议，形成了考察报告，圆满完成了考察任务。

制冷长波红外器件的研制工艺一直是业内公认的顶尖红外技术。高芯科技早在成立初期，就实现了长波制冷红外探测器的攻关和批产。目前，公司全系列长波制冷红外探测器产品的整体量产能力已经稳步跻身业内头部阵营。WHY IS 长波制冷红外？长波制冷红外器件因其较高的帧频、低温响应度以及适应性在高端热像应用领域潜力巨大。长波制冷红外探测器的优势集中在：1. 穿透能力强，适应复杂使用环境（沙尘、海面、云层、反光等）；2. 积分时间短，帧频更高；3. 低温响应度高，适合探测室温目标。WHY IS 超晶格？高芯科技完全掌握锑化物超晶格研制工艺，并基于此开发出长波制冷红外探测器全系列产品。作为发达国家一致选择的第三代高性能焦平面探测器的优选材料，锑化物超晶格制备长波探测器具备如下优点：1. 量子效率高；2. 低成本；3. 宽波段精确可调；4. 工作温度高；5. 长波、双色性能优良；6. 大面积材料均匀性好。锑化物超晶格材料的强项是极高的质量，均匀性和稳定性。因此基于其制备的红外探测器在有效像元率、空间均匀性、时间稳定性、可制造性上要比其他材料更有优势，这种优势尤其体现在长波探测器的降低成本和大面阵制备两个方面。WHY IS 高芯科技？高芯科技拥有涵盖材料、芯片、电路、封装、制冷机的完备生产线，超过两万平洁净厂房，上千台（套）精密制程设备。全系长波制冷红外探测器在这里实现了从原材料到整机系统的完全国产化制造。坚实的硬件基底支撑公司实现了覆盖多种面阵规格、多种像元尺寸以及多种波段组合的制冷红外探测器全产品线量产。前沿超晶格技术始终是高芯科技的前进方向。从立项研发到量产交付，从新品导入机制到工艺过程控制，高芯科技娴熟掌握锑化物超晶格长波红外探测器的关键芯片工艺，逐年实现320×256、640×512以及1280×1024百万像素长波红外探测器的规范化批量制造。兼顾性能的同时，产品的应用稳定性也是我们关注的重点。高芯科技的红外探测器在历经严苛贮存环境测试、上千次开关机验证、耐久性工作寿命论证等多项可靠性试验后，产品性能、图像均匀性等各项指标依然满足应用所需。2024年1月，高芯科技以1280×1024/10μm长波制冷红外探测器产品为代表的科技成果一举通过湖北省技术交易所专家评定：“整体达到国际先进水平，部分指标国际领先”。未来，各类制冷红外探测器的市场需求会进一步扩大。高芯科技将深入挖掘红外核心器件底层技术，继续精研热像传感芯片制造工艺，稳步提升制冷红外探测器的量产交付能力，牢牢把握长波、高温、双色制冷红外探测器快速发展的重大市场机遇，持续保持公司在锑化物超晶格探测器产业化领域的领先优势。关于高芯科技武汉高芯科技有限公司掌握了红外热成像技术的核心——红外焦平面探测器，致力于为全球红外热成像用户提供专业的非制冷和制冷红外探测器、机芯模组以及应用解决方案。公司在红外探测器及相关领域获得多项技术专利，可同时提供非制冷和制冷红外探测器。建立了8英寸0.11μm氧化钒非制冷红外探测器、8英寸0.5μm碲镉汞制冷红外探测器、8英寸0.5μm二类超晶格制冷红外探测器三条批产线，自主完成原材料提纯、生长，到芯片的流片、制造、封装与测试的全套工艺。公司产品品类丰富，覆盖多种面阵规格、多种像元尺寸以及多种波段组合 。产品灵敏度高、可靠性好，各项性能指标达到国际先进水平，已广泛应用于人体测温、工业测温、安防监控 、无人机载荷、气体泄漏检测、户外夜视、智能驾驶、物联网、智能家居、智能硬件等领域。