华东师范大学曾和平教授与黄坤教授团队在中红外物体边缘增强成像领域取得重要进展，创新性提出一种基于拓扑微分泵浦的高阶非线性空间微分成像技术。该方法在中红外波段实现了高灵敏度、任意阶数可调以及实时切换的边缘检测，为生物医学诊断、材料无损检测与智能驾驶感知等应用提供了一条高效且可拓展的技术新路径。相关成果以《High-Order Mid-Infrared Nonlinear Topological Differentiator》为题，近日发表于国际权威期刊 Laser & Photonics Reviews。该工作延续了团队此前发表于ACS Photonics的相关研究，进一步实现了从一阶向高阶微分成像的系统性拓展。
全光图像边缘检测技术具备超快并行响应与多维信息捕捉能力，可实现对高通量样品轮廓、相位及偏振等特征的实时提取。相较于传统的一阶边缘增强方法，高阶空间微分技术在低频背景抑制、边缘对比度提升及相位物体可视化方面展现出显著优势，近年来已广泛应用于生物医学诊断、材料无损检测与智能驾驶感知等领域。与此同时，中红外波段蕴含丰富的分子振转吸收指纹信息，不仅能够实现目标的化学特异性识别，还覆盖多个大气透射窗口，是无标记化学传感、生物医学诊断与热红外遥感成像的关键工作波段。将高阶全光边缘检测技术拓展至中红外谱段，有望为高对比度、信息富集的红外成像开辟全新的应用场景。
然而，中红外高阶边缘增强成像在高灵敏探测与高精度调控方面仍面临显著挑战。一方面，强热背景辐射与中红外探测器性能瓶颈叠加，使得在室温条件下实现高灵敏、低噪声探测尤为困难；另一方面，现有光学材料普遍存在可调性有限且中红外响应不足的问题，严重制约了高阶微分所需的高保真空间频率调控能力。同时，长波衍射效应进一步限制了光场调制器的调制精度与波长拓展能力。因此，亟需发展一种兼具高灵敏度与强可调性的中红外高阶空间微分器，以突破当前技术瓶颈。
为此，研究团队创新性提出了一种基于拓扑微分泵浦滤波的中红外上转换边缘成像技术，实现了高灵敏、任意阶次可调、并支持实时切换的高阶中红外空间微分成像。实验装置如图1所示，研究人员利用空间光调制器对泵浦光进行结构化整形，构建拓扑微分器，并通过非线性参量相互作用，将泵浦光的复振幅信息以全光方式叠加至中红外信号的傅里叶频谱，从而实现各向同性的高阶边缘增强成像（图2）。
通过切换调制器加载的不同涡旋滤波相位图案，系统可实现微分阶数的实时动态切换，刷新速率高达 60 Hz。同时，得益于低噪声的上转换探测过程与单光子灵敏度硅基相机的联合优势，该系统在弱光照条件下仍可获得高对比度的边缘成像结果。值得强调的是，传统基于纯螺旋相位调制或纯幅度滤波的中红外边缘成像方案，通常仅能实现一阶边缘增强或偶数阶径向微分。而本研究提出的泵浦复振幅拓扑滤波方案，首次实现了任意阶数、各向同性的中红外高阶边缘增强成像，为中红外多模态成像与光学计算成像提供了一种全新的技术路径。
图2：中红外非线性多阶微分成像的数值模拟与实验结果
在应用探究中，研究人员设计了两类典型场景，系统表征了中红外高阶微分器在低频背景抑制与纯相位物体可视化方面的性能优势。其一，以表面涂覆紫外固化胶的蝴蝶图案掩膜为例，随着微分阶数的逐步提升，胶层背景引入的复振幅扰动被持续压制，蝴蝶结构的边缘轮廓不断锐化并显著凸显，展现出优异的背景抑制能力（图3）。其二，基于样品对中红外光的吸收特性，对在可见光明场成像中难以识别的透明相位物体进行成像，并借助高阶微分对高频细节与弱相位梯度信息的放大效应，成功恢复了在明场及低阶微分条件下被掩盖的精细边缘结构，实现了纯相位物体的清晰可视化。
图3：中红外高阶微分在低频背景抑制中的性能表征
综上，研究团队提出并实验验证了基于拓扑微分泵浦调制的高阶中红外上转换边缘成像新方案，构建了具备高灵敏度、任意阶次可调以及实时切换能力的中红外空间微分成像系统，实现了精确特征定位与高效背景抑制。该方案为中红外计算成像与光学模拟运算提供了兼具通用性与可扩展性的技术平台。未来，结合其宽光谱覆盖、精细边缘分辨与高阶微分调控的协同优势，该系统有望在工业无损检测、无标记化学分析等应用场景中发挥重要作用。
课题组网站：http://iphoton.ecnu.edu.cn
论文链接：High-Order Mid-Infrared Nonlinear Topological Differentiator
