全光模拟计算具有超快响应、低功耗和天然并行等优势，为高通量图像信息处理提供了重要技术路径。其中，空间微分可直接提取目标边缘与结构特征，而不同微分阶数具有互补的空间频率响应：低阶微分侧重整体轮廓，高阶微分则可进一步抑制低频背景、突出精细结构。相比传统逐阶切换，并行多阶微分能够在单次测量中同步获取多尺度结构信息，显著提升信息通量。将这一能力拓展至具有丰富分子振转特征的中红外波段，有望进一步融合结构特征提取与化学选择性感知，为机器视觉、目标侦测和生物医学成像等提供新的技术手段。然而，中红外波段有限的室温阵列探测性能以及空间光场调控能力，使高灵敏探测、高保真空间频率调控与多通道复用难以兼顾，成为实现并行多阶空间微分的关键挑战。
近日，华东师范大学曾和平教授与黄坤教授团队在中红外光学图像处理领域取得新进展，提出了一种基于非线性复用滤波的并行多阶中红外空间微分方法。该方法将多阶拓扑复振幅滤波、非线性频率上转换与多通道空间路由融合于同一非线性光学过程，在中红外波段实现了明场及一至四阶空间微分图像的单次曝光同步获取，为高通量、多维中红外光学信息处理提供了新的技术路径。相关成果以“Parallel Multiorder Mid-Infrared Spatial Differentiation via Nonlinear Multiplexing”为题发表于 ACS Photonics。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于非线性复用滤波的并行多阶中红外空间微分方法，实现明场及一至四阶微分信息的单次曝光同步获取（图1）。其核心是将不同阶数的拓扑复振幅微分滤波器复用编码于同一泵浦全息图，并赋予不同的光栅载频。结构化泵浦被投影至非线性上转换系统的傅里叶面，使空间微分、频率上转换与通道路由在同一非线性过程中协同完成，不同阶数的微分信息由此被路由至探测面的不同位置，实现多阶空间信息的并行处理与获取。
图 1：中红外并行多阶空间微分成像实验装置图
在此基础上，研究团队进一步验证了高阶空间微分及通道路由性能（图2）。通过光栅载频对不同微分阶数进行空间寻址，二至四阶微分通道均可与明场通道有效分离。随着微分阶数升高，低空间频率背景受到更强抑制，边缘特征和精细结构逐渐凸显，体现了高阶微分对不同空间频率成分的选择性调控能力。
图2：二至四阶中红外空间微分与通道分离结果
进一步地，研究团队将明场及一至四阶微分算子进行统一复用，实现了完整的单次曝光并行多阶空间微分成像（图3）。以表面涂覆紫外固化胶的图案为样品，系统同步获得明场及不同阶数的微分图像：低阶通道主要呈现整体轮廓，随着阶数升高，低频背景逐步受到抑制，细微边缘与局部结构更加突出。不同阶数提供互补的空间结构信息，从而在一次曝光中实现从整体轮廓到精细边缘的多尺度特征同步提取。
图3：单次曝光并行多阶中红外空间微分成像
该工作是团队近期中红外边缘增强成像 [ACS Photonics 13, 991 (2026)] 与多阶非线性拓扑微分 [Laser Photonics Rev. 20, e02431 (2026)] 等工作的进一步拓展，将中红外高阶空间微分由逐阶处理推进至单次曝光的并行多阶信息获取。该方案兼具非线性上转换的高灵敏探测与并行处理优势，为高通量、高维中红外光学模拟计算与多尺度图像分析提供了新的技术路径，并有望应用于红外机器视觉、复杂背景目标探测及生物医学成像等领域。
文章信息：Shina Liao, Jixi Zhang, Jing Ling, Jianan Fang, Yizhe Chen, Ruiyang Qin, Yanan Li, Zhuohang Wei, Huijie Ma, Wen Zhang, Kun Huang, and Heping Zeng, “Parallel Multiorder Mid-Infrared Spatial Differentiation via Nonlinear Multiplexing,” ACS Photonics (2026).
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c01486
