中红中红外光谱分析技术是物质表征与鉴定的有效手段，在生物、医学、材料与环境等领域具有广泛应用。特别在许多低照度应用场景中，例如远距离污染监测、无损伤文物鉴定和低光毒性细胞观测等，迫切需要高灵敏的中红外光谱探测技术。然而，传统中红外光谱仪中通常采用窄带隙红外探测器，受内禀暗电流和环境热噪声的影响，导致探测灵敏度受限。因此，实现室温条件下逼近单光子水平的超灵敏中红外光谱探测颇具挑战。
近年来，单像素计算光谱技术借助空间光调制和单像素探测器，可以实现波长复用的高通量测量，通过关联求解重构出待测光谱信息。然而，由于缺乏高灵敏中红外探测器，单光子水平的单像素计算光谱仪长期局限于可见光/近红外波段。此外，实现中红外单像素光谱的另一个制约因素是缺乏高保真的空间调制器件。基于液晶或数字微镜元件的传统空间光调制器的工作波长范围有限，调控性能不可避免地受到长波衍射效应的影响。为此，黄坤研究员和曾和平教授研究团队创新结合频率上转换探测技术和波长编码计算光谱技术，突破了中红外波段高灵敏探测和高分辨率调制的难题，实现了单光子水平的中红外单像素计算光谱仪。
黄坤研究员和曾和平教授研究团队利用啁啾脉冲泵浦技术，将覆盖3.1-3.9 μm的宽波段光谱信息精确转换到近红外波段，利用该波段高性能的空间光调制器和硅基探测器进行光谱调制和光子探测，在低至0.01 photons/nm/pulse的单光子照度下实现了0.5 cm-1的光谱分辨率，所实现的探测灵敏度相较此前记录有着数量级提升。而且，结合压缩感知算法，数据采集时间被大幅减少了95%，对于提升少光子下微光光谱分析速率尤为关键。此外，空间光调制器的灵活编码能力使得研究人员能够对特定光谱区域进行测量，进一步提高光谱采集效率；或在感兴趣区域进行更为精细的采样，为兼顾高分辨率和宽光谱覆盖提供了有效途径。研究团队首次实现了单光子探测灵敏度的中红外单像素计算光谱仪，结合了上转换探测和单像素光谱的双重优势，摆脱了对大面阵探测器件和机械扫描部件的依赖，利用单像素光子探测器能够在宽光谱覆盖范围内实现亚波数的光谱分辨率。值得一提的是，该技术可以扩展到长波红外或太赫兹区域，以满足该谱段对于高灵敏度和高分辨光谱测量的迫切需求。未来，融合多维计算成像技术，还可获取样品的空间、偏振与相位等多自由度信息，为材料、化学、医学、生物等领域提供新型的分析手段。
相关成果发表在Laser & Photonics Reviews，得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师大的共同资助。该工作也得到上海大学郭海润教授与上海理工大学梁焰副教授课题组支持。
图 (a) 中红外单光子计算光谱概念图; (b) 中红外光谱覆盖范围为3.1-3.9 μm; (c) 光谱分辨率为0.5 cm-1;(d) 采集时间可减少95%;(e) 探测灵敏度达0.01 photons/nm/pulse.
论文链接：Mid-Infrared Single-Photon Compressive Spectroscopy
