作者：吴r 时间：2025-05-27
NLIR的中红外光源产品提供创新的光学传感解决方案，助力各行业突破中红外光源技术挑战，这篇技术文档中，我们介绍了NLIR的中红外光谱仪产品的基础原理和技术核心以及上转换模块技术和NLIR的产品特性还有nlir产品上转换过程的效率。
NLIR中红外探测产品技术SFG原理
丹麦NLIR技术的所有中红外光源产品均基于和频生成原理（SFG原理）。和频生成原理（SFG原理）是一项精密的非线性光学过程，在此过程中两个光子湮灭并生成一个新光子，其能量为原始光子能量之和。
许多人所熟知的二次谐波生成（SHG）正是和频生成原理的一种特例——该技术广泛应用于激光笔中，通过1064纳米激光二极管产生绿光。而在我们的产品中，我们采用和频生成原理进行波长上转换（upconversion），将入射的中红外光（MIR）转换为近可见光波段。
非线性光学过程通常需要满足两个关键条件：介质需具备高非线性系数与低损耗特性（例如铌酸锂LiNbO₃晶体），同时介质内部需存在高强度电场驱动。在上转换过程中，由于涉及三个电场的相互作用，其中至少一个电场必须达到足够高的强度。尽管上转换技术已问世多年，但对高强度激光场的要求导致其长期面临成本过高或效率不足的产业化瓶颈。
丹麦NLIR产品技术核心
NLIR技术的核心在于通过简洁高效的方式，在晶体内部构建高强度激光场（1064纳米，连续波功率密度>1兆瓦/平方厘米），使中红外光可无损入射，并让生成的近可见光高效输出。如下图所示：高功率激光（绿色）贯穿晶体，与入射的中红外信号（红色）在空间重叠后，输出端的上转换光束（蓝色）可与泵浦光分离，并采用近可见光探测器（如硅基CMOS阵列、雪崩光电二极管APD乃至智能手机摄像头）进行检测。
上转换模块技术（Upconversion Module Technology）
箭头所示示意图阐释了上转换模块技术过程的能量守恒原理：一个高功率激光光子与一个中红外光子结合，转化为一个近可见光光子（箭头长度表征光子能量/波长关系）。图中顶部的"虚态"标注表明：该过程中光子未被晶体实际吸收（区别于电子吸收效应），仅通过电场力与束缚电子发生相互作用。
完成波长上转换后，可根据具体应用场景选择探测器：若采用光栅光谱仪（如产品目录中2.0-5.0微米光谱仪），可搭配CMOS阵列实现多波长检测；若需快速响应或高灵敏度单点探测，则可选用单波长探测器模块。
丹麦NLIR产品噪声特性
NLIR的中红外光谱仪产品具有很好的噪声特性。传统中红外（MIR）探测器中常见的多种噪声源被有效规避，但在上转换过程中会引入一种新的噪声。
上转换过程对效率和带宽的限制，本质上过滤了来自周围环境的热噪声。在可检测带宽内，唯一能与信号共同传播的噪声会被上转换并进入检测环节。而传统MIR探测器会捕获的其余环境热噪声，则因无法上转换而被自然剔除。类似地，传统MIR探测器还会因其自身温度产生大量内部噪声——这正是许多MIR探测器需低温冷却的原因。上转换后，这类噪声也基本被消除，因为在室温下几乎不存在热辐射光子能达到上转换后的波长。
上转换技术本身是完全无噪声的。文献研究表明，即使在量子力学层面，上转换光子也仅是原始长波长光子的精确波长转换版本。这意味着上转换过程本身不会为检测系统引入任何噪声。
然而，晶体在上转换过程中会发生两种寄生效应：
晶体热辐射噪声特性：晶体因自身温度会随机发射光子。与信号同向传播的热辐射光子会被上转换，成为检测噪声。该噪声在3.0 μm以上波段占主导地位，且随波长增加而增强。
自发参量下转换噪声特性（USPDC）：高功率激光光子通过自发非线性下转换衰减。这些光子被上转换后即表现为噪声。该效应在文献中称为"上转换自发参量下转换噪声"，在3.0 μm以下波段起主导作用。
在上转换系统中，这两种新噪声源的影响显著，可在采样频率＜0.1 Hz的2.0–5.0 μm光谱仪中观测到。在单波长探测器中，其贡献因波长和带宽而异，但相关影响均已纳入产品规格指标。
NLIR中红外光谱仪产品速度特性
上转换技术的物理核心在于非线性相互作用的时间常数。非专业人士常误认为转换过程以光速进行——虽然光在转换过程中仅受线性折射率影响而略微减速，但实际转换速率与光的传播速度无关。
转换时间常数由材料中束缚电子响应外加电场的速度决定。尽管电子无法无限快响应，但其反应速度远超其他动力学过程，因此（几乎）所有应用场景下均可视为瞬时完成。这意味着上转换技术本身不会引入时间延迟或抖动。
然而严格来说，晶体中的色散效应会在极短时间尺度上导致时间模糊。对于NLIR制造的高灵敏度单波长探测器，调制频率超过100 GHz时该效应才开始显现；宽带器件的影响阈值更高。因此：
单波长探测器完全不受色散引起的时间模糊影响；
光谱仪仅对短于100 fs的输入脉冲存在轻微灵敏度下降，但测量光谱不受干扰。
NLIR中红外光谱仪产品转换效率
上转换过程的效率取决于前文所述的1064 nm激光功率。一般而言，功率越高，转换效率越高。同时，上转换过程的带宽大小也会显著影响效率：
窄带宽（约50 nm）：转换效率最高可达0.1（即10%），可实现超高灵敏度测量；
中等带宽（如3.3 µm至5.3 µm）：转换效率约为0.005（0.5%）；
超宽带宽（1.9 µm至5.3 µm）：转换效率降至0.0005（0.05%）。
带宽与转换效率的最佳组合需综合考虑多种因素。值得注意的是，即使较低的转换效率（如0.05%）仍能为光谱检测等应用开辟新的测量可能性。
