华东师范大学精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授、黄坤教授团队在中红外光谱成像领域取得重要进展，提出一种基于非线性径向色散的快照成像新机制，实现了单次曝光下的宽场中红外单光子光谱成像。相关成果以《Mid-infrared snapshot spectral imaging via nonlinear radial dispersion》为题发表于Nature Communications。博士后方迦南为论文第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通讯作者，华东师范大学为第一完成单位。
图 1：《Nature Communications》刊发华东师大研究团队研究成果（左）；基于非线性径向色散的中红外快照光谱成像概念图（右）。
光谱成像能够同时获取目标的空间分布与光谱特征信息，实现“图谱合一”的精细分析，在材料表征、生物医学诊断和环境监测等领域具有重要应用价值。然而，传统光谱成像通常依赖空间或光谱扫描逐步获取数据，即使采用快速波长调谐和高速光谱滤波等技术，仍难以摆脱逐点、逐线或逐谱段采样的限制，难以满足动态场景对高速观测的需求。因此，能够在单次曝光内获取完整光谱信息的快照光谱成像逐渐成为研究热点。
中红外波段覆盖分子振动“指纹区”，蕴含丰富的化学组成信息，是实现无标记化学识别的重要手段。然而，将快照光谱成像拓展至中红外波段仍面临挑战：一方面，中红外探测器普遍存在噪声高、像素规模有限和帧率较低等问题；另一方面，光谱编码所需的调控器件在长波条件下性能受限。因此，发展兼具高灵敏度、高速度和高信息获取能力的中红外快照光谱成像技术一直是该领域的重要研究方向。
图 2：快照光谱成像数据编码与采集方案示意图
为此，研究团队提出了一种基于非线性径向色散的快照中红外光谱成像新机制（图2）。利用啁啾周期极化铌酸锂晶体中波长依赖的相位匹配特性，不同光谱分量在上转换过程中被映射至不同输出角度，并在像面形成不同尺度的缩放图像，从而实现内禀径向色散和光谱空间复用，无需额外色散元件。结合随机散斑编码与压缩感知重建，仅通过单次曝光即可重建覆盖2.5–4.0 μm宽谱段的三维光谱数据立方体，实现宽场中红外单光子快照光谱成像。在聚苯乙烯薄膜样品成像实验中，系统重建光谱与FTIR参考谱高度吻合，准确分辨出3300 nm附近的特征吸收峰；即使将入射光强降低至约1光子/像素/脉冲，系统仍能在5秒内完成快照光谱成像，展现出接近单光子探测极限的超高灵敏度（图3）。
图3：单光子快照光谱成像实验结果图
进一步地，为验证系统的实时动态成像能力，研究团队构建了具有光谱对比度的旋转目标场景：在刻有“ECNU”字样的旋转铝板前分别放置不同中心波长的窄带滤光片。系统以20帧/秒的帧率连续采集，实现了视频级宽场中红外快照高光谱成像。重建光谱与滤光片透射特性高度一致，伪彩色图像清晰展现了不同光谱分量的空间分布及其随目标运动的动态演化过程（图5），验证了该技术在高速动态场景下同步获取空间与光谱信息的能力。
图4：动态场景实时快照高光谱成像实验结果图
该工作首次利用非线性径向色散实现中红外快照光谱成像，将光谱复用由外置光学功能转化为非线性成像过程的内禀属性，为高灵敏度、高速中红外光谱成像开辟了新路径。凭借良好的波段扩展性及与人工智能重建算法的兼容性，该技术有望拓展至长波红外和太赫兹波段，为动态化学过程、生物医学诊断及生命科学研究提供新一代实时光谱成像工具。
近年来，课题组在中红外计算成像领域取得系列重要进展，相继发展了中红外宽场非线性上转换成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]、中红外单光子单像素成像 [Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及超高速中红外高光谱成像 [Nature Commun. 15, 1811 (2024)]等，形成了从单光子探测到高维信息获取的完整技术体系。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的共同资助。
论文链接：Mid-infrared snapshot spectral imaging via nonlinear radial dispersion
