华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤教授团队在中红外单光子测控领域取得重要进展。团队提出了一种基于非线性结构探测的中红外亚像素时域鬼成像新方法，突破了中红外波段高精度调制与高灵敏探测难以兼顾的关键瓶颈，实现了单光子水平下中红外时域波形的精确重构，可为解析超快动力学过程与开展精密测量等提供有力支撑。相关成果以《Mid-Infrared Single-Photon Sub-Pixel Temporal Ghost Imaging》为题发表在 Laser & Photonics Reviews（图1）。华东师范大学为第一完成单位，博士生张雯为第一作者，黄坤教授与曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Laser & Photonics Reviews刊发华东师大研究团队的最新成果
在中红外波段，兼具高时间分辨率与高探测灵敏度的时域探测技术，是解析超快动力学过程与开展精密测量的关键工具，在遥感探测、深空通信、分子光谱与量子测量等领域具有重要应用价值。然而，传统基于窄带隙半导体材料的中红外探测器（如HgCdTe、InSb等）受限于材料本征的载流子寿命、高暗电流与热噪声，往往需依赖低温制冷系统方可实现高灵敏探测，且其光电响应带宽通常难以突破 GHz 量级，无法在室温条件下同时满足高速时域分辨与单光子级弱光探测的双重需求。如何在室温条件下实现兼具高时间分辨率与单光子灵敏度的中红外时域测量，仍是领域内亟待突破的核心科学与技术挑战。
时域鬼成像（Temporal Ghost Imaging, TGI）作为一种间接探测技术，通过对“桶探测器”积分信号与已知参考调制序列进行关联运算，可在无需高速探测器的情况下实现超快时间信号重建，为突破探测带宽限制提供了新思路。近年来，研究人员借助非线性频率转换技术，该方法已从可见光/近红外拓展至中红外波段，并实现了室温条件下的单光子探测。然而，现有中红外时域鬼成像方案多依赖结构化照明方式，即要求对中红外光源进行高速主动调制；当光源不可调制或其内禀时间结构本身是研究对象时，该策略将难以适用。同时，现有方案的时间分辨率通常受限于光源调制速率或光场随机涨落的时间尺度，其性能提升存在难以突破的固有瓶颈。
图 2：(a)基于和频过程的非线性结构探测; (b) 亚像素位移原理
03 创新研究
为此，华东师范大学曾和平教授与黄坤教授团队提出了基于“非线性结构探测”的中红外亚像素时域鬼成像新方案，实现了时间分辨率与调制速率的有效解耦。该系统以近红外泵浦光作为可编程时间门控，在周期极化铌酸锂（PPLN）晶体中通过和频过程对3.4 µm中红外信号同步完成时间采样与频率上转换。其中，携带预编程编码信息的近红外泵浦光在非线性相互作用中充当结构化时间门，将待测中红外时域波形映射至0.8 μm近红外波段，随后由室温工作的硅基光电探测器或单光子计数模块完成信号采集。最终通过对采集到的积分信号与预编程的Hadamard编码矩阵进行伪逆重构运算，即可高保真恢复待测中红外信号的时域波形，从而突破传统探测器带宽限制。
进一步地，研究团队将空间超分辨成像领域的“亚像素位移”概念拓展至时间维度。通过对泵浦时间门进行亚像素级的步进平移，并融合多组测量结果，实现采样间隔的有效压缩，进而获得了超越调制速率本征限制的时间分辨能力。该方法的核心在于，系统的时间分辨率由时间步进精度决定，而不再直接受制于调制器的工作速率。
图 3：中红外单光子亚像素时域鬼成像装置图
实验结果表明，在泵浦光调制速率仅为3.125 Gbps的条件下，研究团队通过40 ps精度的亚像素时间步进与多组编码数据融合，成功实现了对12.5 Gbps高速中红外时域信号的有效分辨，获得了40 ps的系统时间分辨率。该结果不仅突破了所用单光子探测器717 ps时间抖动对应的探测极限，还超越了泵浦门控图案320 ps调制周期所决定的本征分辨上限。在单光子工作模式下，即便将中红外待测信号衰减至0.02 光子/比特的极弱光水平，系统仍可完成待测波形的高保真重建，充分验证了该方案在极弱光探测场景下的优异鲁棒性与灵敏度优势。
图 4：单光子水平的中红外高分辨波形重构(a–b) 采用80 ps时间步长，对6.25 Gbps时域目标实现亚像素时域鬼成像。(c–d) 采用40 ps时间步长，对12.5 Gbps时域目标实现亚像素时域鬼成像。
04 总结与展望
相比既有结构照明方案，本工作首次在中红外波段实现结构化探测架构，并通过亚像素时间操作建立了一种可扩展的高分辨时域测量范式。该技术不依赖对中红外源的直接调制，更适用于不可控或天然发光的中红外过程表征，例如超快中红外荧光动力学、弱辐射过程监测等。
未来，结合低抖动定时电子学与高精度时钟同步技术，可进一步缩小时间步进尺度，提升系统稳定性与长期一致性。通过选用AgGaS₂或GaP等非线性晶体，该方案亦可拓展至长波红外甚至太赫兹波段，为高时间分辨化学传感、远距离自由空间通信以及光量子超快精密测量等领域提供新手段。
近年来，研究团队在中红外非线性测控方面开展了系列创新研究，先后发展了单光子时域鬼成像[Laser Photon. Rev. 19, 2402180 (2025)]、高帧频计算成像[Laser Photon. Rev. 19, 2500308 (2025)]、非线性小孔成像[Optica 12, 1478 (2025)]以及大视场边缘增强成像[ACS Photonics 13, 991 (2026)]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范大学的共同资助。
文章信息：
Mid-Infrared Single-Photon Sub-Pixel Temporal Ghost Imaging
Wen Zhang, Kun Huang*, Zhibin Zhao, Huijie Ma, Ziyu He, Jianan Fang, Heping Zeng*
Laser & Photonics Reviews
论文链接：DOI: 10.1002/lpor.202502587
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202502587
