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研究员课题组在超灵敏中红外计算成像方面取得重要进展，提出了基于非线性空间编码的红外上转换单像素成像新方法，利用硅基单像元探测器实现了超灵敏中红外单光子成像，为发展可室温工作的红外光子测控技术与器件提供了新途径，有望应用于分子图谱、天文观测、生医诊断、材料检测与环境遥感等诸多领域。相关成果于2023年2月25日以“Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level ”为题在 Nature Communications 上在线发表（图1）。论文第一作者为博士研究生王殷琪，曾和平教授与黄坤研究员为共同通讯作者。
图 1：《自然》子刊刊发华东师大研究团队在中红外单光子计算成像取得的进展
中红外波段包含了许多重要分子的振转能级跃迁谱线，位于分子特征指纹光谱区，还涵盖了地球大气的多个透明窗口，且比近红外光有更好的穿透雾霾能力。一直以来，超灵敏中红外探测与成像都是国际研究热点与学术前沿，对于促进极低照度下红外光子测控的广泛应用具有积极意义，如光敏材料痕量检测、散射介质穿透成像、无光毒长时样品观测等。当前，随着器件工艺精进与新材料涌现，红外探测性能得到了长足发展，但依然面临着提升灵敏度、降低噪声、提高帧频与增加像素等亟待解决的难题。特别是，现有中红焦平面阵列即便在低温制冷条件下灵敏度也仅为亚纳瓦量级，相应的等效噪声功率为1010光子/秒，远无法实现单光子水平的超灵敏探测。因此，实现室温条件下逼近单光子水平的超灵敏中红外成像仍颇具挑战。
图 2：基于非线性结构探测的中红外单像素成像装置示意图
近年来，单像素成像作为新型计算成像技术方兴未艾，其利用无空间分辨的单点探测器即可获取物体图像信息，为缺乏成熟多像素阵列型探测器的非可见光波段提供了具有吸引力的成像解决方案，已在X射线、红外、太赫兹、毫米波等特殊波段展示了重要的应用前景。然而，单光子水平的单像素成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于在其他波段仍缺乏高性能单光子探测手段。此外，缺乏高分辨动态空间调制器件是另一关键难题，尤其对于长波光场，显著的衍射效应不可避免会降低空间调控精度与准确度。为此，华东师大团队发展了基于非线性结构探测的中红外单像素成像新技术（图2），利用时-空域精密控制的泵浦光场调控，在非线性光学晶体中同时实现红外信号光场的空间编码与频率转换，借助硅基单点探测器即可获得高灵敏、高分辨的中红外成像（图3）。
图 3：基于Hadamard空间编码的中红外单像素成像数值模拟与实验结果
值得一提的是，该项工作所发展的非线性结构探测技术充分发挥了上转换探测与单像素成像的各自优势，不仅突破了传统空间调制器件的工作波长限制，解决了中远红外波段高保真空间调控的难题，而且规避了室温下红外波段探测灵敏度受限的技术瓶颈，实现了逼近量子极限的中红外单光子测控性能。研究表明，所搭建的中红外单像素成像系统可在0.5光子/脉冲极低照度下依然实现高对比的成像质量（图4），可为红外微光成像、超远距离测距、深层材料检测等光子稀疏应用场景提供有力的表征与分析手段。
图 4：单光子水平极弱照度下超灵敏中红外单像素成像
进一步地，研究人员结合压缩感知与机器学习算法，在压缩比为25%的亚奈奎斯特采样情况下，依然可以获得高信噪比的超灵敏中红外成像。图5展示了Hadamard空间编码下中红外单像素实时成像视频，后续通过优化空间编码与提升重构算法，可以显著提升成像帧频，最终形成具有高灵敏、高速率、高分辨的中红外单像素成像新装置，为推动分子光谱、生医成像、芯片检测等创新应用提供有力支撑。
图 5：中红外单像素实时成像
近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外光子非线性测控方面开展了系列创新研究，先后发展了高性能中红外上转换光子探测与分辨技术[Photon. Res. 9, 259 (2021)]，高灵敏中红外螺旋相位成像技术[Laser Photon. Rev. 15, 2100189 (2021)]，以及大视场中红外非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]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大的资助。
附：
论文链接：Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level
