摘要： 在用于气体浓度测量的距离分辨差分吸收激光雷达中，中红外（MIR）微脉冲激光雷达配合光子计数检测是一种极具吸引力的解决方案。然而由于单光子能量较低，中红外波段的单光子探测面临挑战——无论是超导纳米线探测器还是低带隙雪崩光电二极管都需要低温冷却，且波长适用范围仍局限在约2.5微米以内。相比之下，适用于可见光与近红外（NIR）波段的硅基单光子雪崩二极管（Si-SPAD）可在室温下工作，兼具优异的时间分辨率、低暗计数率和短死时间等特性。通过和频生成（SFG）实现的非线性上转换技术，能将中红外单光子转换至Si-SPAD可探测的波长范围。这种上转换既可通过单次穿过非线性晶体的方式实现[1]，也能在激光谐振腔内完成[2]，后者借助高腔内功率可获得高效转换。其中准相位匹配（QPM）方案尤为值得关注——通过晶体设计可实现特定波长与带宽的共线相互作用。典型10毫米长的QPM晶体仅具有约10纳米的中红外带宽，经适当滤波后可保持低背景噪声。 本研究采用周期极化掺铷磷酸氧钛钾（PPRKTP）晶体，在谐振腔内将2.4微米脉冲与1064纳米激光（源自Nd:YVO4激光器）混频转换为737纳米光（腔体结构与检测方案见图1(a)）。该谐振腔由三面反射镜及兼作输入耦合器的Nd:YVO4激光晶体构成，平面镜对中红外及转换波长具有高透射率。未镀膜PPRKTP晶体的表面菲涅尔反射率经计算为8.6%，对应每往返30%的能量损耗。1064纳米光束在晶体内部具有150微米的1/e2半径及约10瓦功率，2.4微米中红外脉冲能量约为1纳焦量级，脉宽60飞秒，重复频率1千赫兹。经聚焦进入PPRKTP晶体后，出射光通过滤波去除其他波长，最终由Si-SPAD探测737纳米脉冲。尽管737纳米脉冲经至少50分贝衰减，Si-SPAD探测器仍完全饱和——即每个2.4微米辐射脉冲均能触发探测器。该探测器量子效率为27%，死时间为77纳秒，表明此方法可检测更微弱脉冲。探测时间分辨率达140皮秒，对应激光雷达20毫米的空间分辨率（图1(b)展示了1064纳米激光开关状态下的探测器响应）。时间分辨率主要受Si-SPAD电子学触发抖动限制，但据我们所知，这是目前腔内上转换探测中红外脉冲所获得的最佳时间分辨率。