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“穷则思变”——上转换中红外光谱仪及探测器


       众所周知，在科学光谱实验室中，中红外的光谱测量具有挑战性，首先是相对应的中红外探测芯片造价高昂，一款液氮中红外探测器动辄就要上百万，并且该芯片对多种科研领域进行封锁，禁售。包括傅里叶变换光谱仪同样都价格不菲。此外中红外的单点探测方案往往速度很慢，噪声很大，往往跟不上科研需求。丹麦NLIR公司为了更好的解决中红外光谱测量，推出了上转换中红外光谱仪。

       上转换技术的核心是将中红外光转换为近可见光的非线性晶体。这使得能够使用快速有效的硅基传感器来检测MIR光。NLIR的非线性中红外传感器代表了一个革命性的新测量方式。公司被命名为非线性红外传感器（NLIR），以突出光谱仪产品与当今傅立叶变换红外光谱法（FTIR）的技术差异。

       
       所有基于NLIR技术的中红外检测产品都基于和频生成（SFG）技术。SFG是一种高度复杂的非线性光学过程，其中两个光子相互湮灭并创建出一个新的光子，其能量与原始光子能量之和相同。


        许多人知道SFG的特殊情况称为二次谐波生成。它在激光指示器中被广泛使用，可以从1064nm激光二极管中产生绿光。在我们的产品中，我们使用SFG在一个称为上转换的过程中，旨在将入射的中红外光线的波长改变为接近可见光。


        非线性光学过程通常由介质内的高强度电场驱动，这些介质具有大的非线性系数和小的损耗，例如LiNbO3晶体。对于上转换而言，其中三个电场参与，其中一个电场须具有足够高的强度。虽然上转换已知多年，但需要高强度激光场的需求使其变得昂贵或效率低而无法商业化。

近红外技术


       NLIR技术的核心是以简单的方式提供一个高强度激光场（1064nm，> 1 MW /cm2连续波）在晶体内，使中红外光线可以进入，生成的接近可见光也可以出射，而两者均不被衰减。下图说明了一个晶体，其中有一个高功率激光场（绿色）穿过它，一个中红外信号进入（红色），与高功率场重叠。在输出端，可以将上转换的光束（蓝色）从高功率光束中分离出来，并使用近可见光检测器进行测量，例如基于硅的CMOS阵列、APD甚至是智能手机相机。



image.png

       箭头所示的示意图说明了上转换过程中的能量守恒。在此过程中，高功率激光场的一个光子和一个中红外光子相结合，形成一个接近可见光的光子；箭头的长度表示能量。图表顶部的“虚拟态”一词表示光子并未被吸收到晶体中的物理态（就像电子吸收的情况一样），而只是通过电力作用与束缚电子相互作用。


       上转换后，可以使用适合特定应用的检测器来检测接近可见光。这可以通过在光栅光谱仪中使用CMOS阵列（如“产品”中的2.0-5.0µm光谱仪），或使用非常快速或灵敏的点检测器（如单波长检测器）来实现。


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噪音


       NLIR的产品具有优秀的噪声特性。与传统MIR检测器相比，避免了许多已知的噪声来源，但在上转换过程中引入了一种新的噪声。


        上转换的要求本质上会过滤掉来自周围环境的热噪声，从而限制了可实现的效率和带宽。在可检测的带宽中，与信号共同传播的噪声是经过上转换的噪声，并将其传递到检测器中。其他来自周围环境的热噪声，如果使用传统MIR检测器，则将被简单地滤除掉，不会经过上转换。


        同样，传统MIR检测器由于其自身温度存在显著的内部噪声，这也是为什么许多MIR检测器需要冷却的原因。但是在上转换之后，由于在常温下几乎不存在在上转换波长处热发射的光子，因此也避免了这种噪声贡献。


       上转换过程技术本身是完全无噪声的。在文献中已经证明，即使在量子力学层面上，经过上转换的光子除了波长之外，是原始的长波长光子的副本。这意味着上转换过程本身不会对检测方案中的任何噪声做出贡献。


        然而，在晶体内部进行上转换时会发生两个寄生过程。首先，晶体本身由于温度会发射出随机光子。与信号方向相同的光子被上转换并作为噪声添加到检测中。这种噪声在3.0μm以上占主要地位，并随着波长增长而增加。其次，高功率激光的光子会通过另一个非线性过程——自发下转换衰减。当这些光子被上转换时，它们会作为噪声被检测到。这后一种过程在文献中被称为上转换自发参量下转换（USPDC）噪声，其在3.0 μm以下的波长处占主要地位。


        在采样频率小于0.1 Hz的2.0-5.0μm光谱仪中，上转换方案引入的两个新噪声源足够显著，可以观测到。在单波长探测器中，贡献的大小因波长和带宽而异，但其影响始终包括在规格中。

速度


        NLIR技术背后的物理学中，非线性相互作用的时间常数是一个重要组成部分。非专家们普遍误解的一个观点是，转换过程发生的速度与光速相同。虽然在转换过程中，光的速度只会受到线性折射率的影响，而不会被其他因素拖慢，但是相互作用本身与光的移动速度关系不大。转换过程的时间常数是由材料中束缚电子对施加电场的响应速度决定的。自然地，电子并不会无限快地做出反应，但与所有其他涉及的动力学相比，它们的响应速度非常快，对于（几乎）任何应用来说，可以认为它们的响应是瞬间的。因此，上转换过程技术本身不会引起时间延迟或抖动。


       然而，严格来说，晶体中的色散原理在短时间尺度上可能会导致时间模糊。在NLIR制造的敏感的单波长探测器中，效应将在高于100 GHz的调制频率下开始变得显著。在广带的设备中，效应将在高的调制频率下发生。因此，单波长探测器都不会受到色散引起的时间模糊的影响。光谱仪只会受到输入脉冲短于100 fs时灵敏度稍微降低的影响，测量出的光谱不受影响。

效率


        在上转换过程中，高功率激光和所需的光学带宽决定了其效率。功率越高、带宽越窄，效率越高。对于2.0-5.0μm的宽带，转换效率约为0.001。结合适当的近可见光探测器，它在许多应用中仍然优于标准MIR探测器替代品的噪声等效功率。如果需要更窄的带宽，例如3.3-5.0μm，则转换效率> 0.01，对于仅在3.0μm周围50nm的带宽，转换效率> 0.1。

应用介绍

       中红外（MIR）光谱技术在工业和研究的各个领域有着无数的应用。下面是一个（不完整）的应用列表，列举了测量中红外光在其中发挥关键作用的应用，以及我们的产品如何使用。

(1) 光谱测量


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       所有分子和材料都会在一些特定波长吸收光。在这个过程中，来自宽带光源的光线被穿过样品并在之后进行分析。不同的材料会吸收和通过一组不同波长，根据这个“指纹”，可以通过测量光的透射来识别和分析样品。在中红外区域（MIR）测量透射光是一项具有挑战性的任务，通常需要更高的灵敏度、更大的动态范围或更快的读出速度。


（2）光学涂层


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      光学涂层的质量、性能和有效性受材料的均匀性和厚度的影响。在红外光涂层材料中，光谱透过率和化学组成不同。此外，一些分子具有非常强的吸收性能。高速、高分辨率和灵敏的红外光谱仪是测量光学膜厚度以及测量涂层表面膜厚均匀性的理想选择。


（3）激光系统诊断


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       随着近年来相干红外光源的快速发展，对能够满足新需求的光束诊断的需求也越来越大。NLIR提供的仍然是快速的红外光谱仪，可以以130 kHz的速率提供实时脉冲对脉冲光谱。因此，结合纳秒上升时间探测器组合，我们可以为新红外光源的开发和使用提供见解。


（4）利用光纤探头进行样品探测


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       使用光纤探头可以更容易地分析大型或奇异形状的样品，观察实时高功率反应，并执行任何需要将样品带到光谱仪的应用。中红外光传输的光纤的发展，使得各种光谱探头的发展成为可能，并在各种应用中提供了关键解决方案。


（5）实时工业过程监测


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         保持工业过程和生产设施的可持续性和效率需要不断的监测和分析。NLIR的MHz探测器和kHz分光仪在2-5µm和7-12µm范围内提供了速度和灵敏度。


（6）中红外光谱在塑料鉴别中的应用


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        在实现循环经济的世界中，减少废弃物的数量并回收利用现有的塑料资源至关重要。目前塑料分类的标准是近红外（NIR）光谱仪，其工作范围内黑色塑料完全无法检测。然而，NLIR的中红外（MIR）光谱仪可以在130 kHz的实时读取速率下，提供高达750个光谱带的颜色中性塑料鉴别能力。

（7）遥感光谱学


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       对于大多数遥感应用而言，速度、灵敏度和噪声过滤至关重要。NLIR探测器提供广泛的上升时间和灵敏度范围。所有探测器均配备窄带谱过滤，并在紧凑数值孔径下提供高性能。此外，我们有经验的团队可以为您量身定制单波长探测器的OEM实现，使其紧凑易集成。


（8）快速事件光谱分析


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       NLIR的单波长探测器可促进工业过程监测、快速化学反应或任何需要纳秒上升时间和MV/W响应的挑战。为了达到这些性能水平，我们提供了一种组合，将我们专有的上转换技术和高性能硅APD探测器相结合。加上自由空间或光纤输入端口，NLIR可以为红外探测器提供新的易于集成的水平。


（9）低信号检测光谱学


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       即使您的实验需要提取微弱的信号水平，NLIR D2250-DC仍可提供惊人的200 GV/W的红外响应。NLIR探测器具有飞瓦特噪声性能和巨大的动态范围，能够提供令人瞩目的结果。它非常适用于任何需要低信号提取的应用。


产品分享


1、S2050 中红外光谱仪


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【产品特点】

  • 2.0–5.0µm光谱带宽
  • 达130 kHz全光谱采集速度
  • 灵敏度低至5 pW/nm
  • 光谱分辨率低至2.5cm-1(2048像素)

S2050-400

S2050-1k*

S2050-130k*

单位

光谱带宽

2 - 5

µm

分辨率

6

3

2.5

cm-1

曝光时间（1）

10.8 — 1E6

9 — 1E6

1.3 — 654

µs

读出速率

400

1.4E3

130E3

Hz

动态范围

16

12


   灵敏度

130E3

8E3

1.6E3

Counts/(ms µW)

暗噪声标准（2）                            

11

60

1

Counts

100ms内探测功率

5

75

25

pW/nm

光学输入（3）

SMA-905 光纤连接器


偏振方向

垂直


工作温度

<30

℃

物理尺寸

100 x 306 x 200

mm3

重量

5

kg

*光谱仪由光纤连接的两个设备组成

（1）通过叠加获取的光谱，S2050-130k型号可以获得更长的有效曝光时间

（2）在小的曝光时间下测量

（3）光纤端口可拆卸以供自由空间使用



2、S76120系列-原型Prototype光谱仪7.6-12µm


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        该光谱仪系统分为两个版本：S76120-50是经济型，50 Hz@全谱，S76120-130k是速度更快的版本，全频谱速度可达130 kHz。两个版本同样高灵敏。这两种都配有简单的GUI界面，便于即插即用各种应用中的测量，以及MATLAB和Python中的完整API接口，升级更高级的使用。


【产品特点】

  • 7.6 – 12.0 µm 光谱带宽
  • 130kHz的全谱读出速度
  • 高信噪比SNR
  • 分辨率10 cm-1

S76120-50

S76120-130K

unit

光谱范围

7.6-12.0

μm

分辨率

10-12

cm-1

曝光时间（1）

1-1000

10.0013-0.654

ms

读出速率

50

130000

Hz

Bit值

14

12


暗噪声（2）

6

1

counts

信噪比SNR@1s（3）

6000


光信号导入

空间光，准直，1inch


偏振方向

垂直偏振


运行温度

<30

℃

物理尺寸（HxLxW）

100x306x200

mm3

质量

5

Kg

（1）S76120-130K通过叠加光谱模式可以获得更长时间的曝光采集。
（2）在小的曝光时间下测得。
（3）在30cm处放置一个800℃黑体光源、在6ms的曝光时间下测量。


3、D2250 中红外单波长探测器


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【产品特点】

  • 高达10 GHz的电气带宽
  • 中心波长范围为2.2µm–5.0µm
  • 高达GV/W响应
  • 自由空间或光纤耦合输入
  • 带内置前置放大器的即插即用

       中红外探测器面临的挑战通常是巨大的固有噪声，以及它们会从周围环境收集大量辐射。我们的探测器通过使用窄带和高效上转换技术以及低噪声硅基探测器来缓解这两个限制。

       除了灵敏度、速度和低噪声特性外，我们所有探测器的输出都经过预放大，可以轻松地用标准示波器测量，无需进一步进行噪声放大。所有探测器均设计为即插即用型，适用于需要高灵敏度中红外探测器的用户。

D2250-DC

D2250-2M

D2250-100M

D2250-240M

D2250-1G

D2250-10G

单位

中心波长

2.2-5.0(可选调谐范围为2.7至4.3μm)

μm

光带宽(1)(2)

15-200

nm

电带宽, 3dB

DC-20

DC-2E6

10E3-100E6

10E3-240E6

10E3-1E9

20E3-10E9

Hz

等效噪声功率

10E-15

3E-13

0.5E-12

0.5E-12

2E-12

1E-9

W/

探测功率(3)

45E-15

4E-10

5E-0

8E-9

6E-8

100E-6

W

AC灵敏度(4)

NA

20E6

600E3

300E3

3E3

120

V/W

DC灵敏度(4)

200E9

20E6

NA

NA

NA

50

V/W

暗噪声(std)

9

3.5

6

4

TBD

TBD

mV

输出电压，限定(50Ω)

10

4.7

1.5

1.5

1

0.45

V

上升时间（10-90%）

NA

170

3.4

1.41

0.34

0.034

ns

光输入

空间光，准直光（光纤输入可选）


偏振方向

垂直


输入光斑尺寸

0.5（可定制）

mm

工作温度

<30

℃

尺寸（高x长x宽）

100 x 306 x 200

mm3

重量

5

kg

安装

4x1” 接杆



（1）带宽取决于中心波长（4.2um中心波长带宽为200nm）。

（2）可根据要求提供宽带选项；更宽的带宽通常会降低响应。

（3）全电带宽下的功率。

（4）规范适用于中心波长为3.5um


4、热红外光源


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【产品特点】

  • 1.2-8.0μm波长范围
  • 500μm光纤>5mW 功率
  • 稳定性优于±0.5%
  • 5000小时寿命
  • 主动制冷
  • 光纤耦合

       热红外光源直接从光纤中照射到您的样品上。


       红外光或红外辐射源被用于各种应用和测量中。与其他光源相比，高温IR光源相对便宜，并且只需要简单的电子设备；它们发射稳定可靠的高功率光。然而，由于暖发射器的性质，光是不相干的，并且向各个方向发射，这使得很难将光引导和聚焦到高强度的样品上。


       NLIR的光纤耦合IR光源可以通过将光纤端定位在靠近样品的位置或使用许多商用光纤探针中的一种，轻松地将MIR光引入样品。


5、波长转换模块


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       可接受的波长在带宽为1.9 -5.3μm，并且它们在LiNbO3晶体内通过1064nm高功率激光器上转换到带宽为682nm-886nm。只有垂直偏振分量被上转换，这可能会减少转换的信号量，但相应地，它也将转换的噪声减少一半。转换后，在695 nm以下和886 nm以上的有效光谱滤波可去除残余噪声。


        对于1.9 -5.3μm的宽带宽，转换效率约为0.0005，对于许多应用，加上适当的近可见光探测器，在噪声等效功率方面仍然优于标准的中波外探测器替代品。如果需要较窄的带宽，例如3.3 -5.0μm，则转换效率大于0.005，而对于大约3.0μm的仅50nm带宽，转换效率则大于0.1。

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          将波长转换到近可见光区比仅降低噪声当量功率还具有更多优势。只需将输出光纤插入GHz GaAs探测器中，就可以获得比传统中红外探测器更高的探测速度；10 GHz甚至25 GHz的探测器可以直接购买。此外，标准的近可见光探测器通常带有预放大器，响应可达GV/W，这有助于电学输出的测量。


       NLIR波长转换模块是任何中红外实验室都通用的工具。中红外测量设备的灵活性通常是令人向往但昂贵的。使用波长转换模块，许多不同的经济实惠的探测器和光谱仪变得可用，并且在许多情况下，它甚至比使用昂贵的传统中红外探测器表现更好。


         注意！转换后的光谱分辨率约为2.5cm-1。如果您的应用需要更高的分辨率，请不要犹豫与我们联系。


关于光量科技


       北京光量科技有限公司，是丹麦NLIR在中国的官方代理商，专注于超快激光和光谱成像产品的推广和服务。总部在北京，杭州、长春、深圳均设有办事处，为不同区域的客户提供及时有效的服务。我司拥有自主品牌光量科技可见近红外便携式小光纤光谱仪，同时也是多家品牌激光、光谱及相关设备的专业代理商，可以为您提供诸如科研相机，光谱仪，飞秒激光器，激光微加工系统等产品。

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