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高灵敏中红外计算成像领域取得重要进展，创新提出双光子单像素成像方法，兼具高灵敏度与快速采集优势，拓展了其在生物医学诊断、环境监测和材料检测中的应用前景。相关成果以《Mid-infrared single-pixel imaging via two-photon optical encoding》为题发表于 PhotoniX（IF=19.1），并受邀在Springer Nature旗下Research Community发表Behind the Paper评论文章（点击阅读）。华东师范大学为第一完成单位，博士研究生马惠洁为第一作者，黄坤教授与曾和平教授为共同通讯作者，上海理工大学梁焰副教授亦给予重要支持。
图 1：PhotoniX在线刊发研究团队最新研究成果
中红外波段（2.5–25 μm）因能揭示分子振动特征而被誉为“分子指纹区”，在医学诊断、食品安全、环境监测和材料分析等领域具有重要应用价值。然而，传统中红外相机依赖碲镉汞、锑化铟等窄带隙材料，室温下噪声较高且通常需低温制冷；硅基探测器虽在室温下性能优越，却无法直接探测中红外。为突破这一瓶颈，研究团队提出将非简并双光子吸收效应（ND-2PA）引入单像素架构，构建编码–探测一体化的计算成像系统（图2）。该方法通过近红外泵浦与中红外光子的协同作用实现信号探测，兼具室温操作与宽带响应优势，突破了传统架构中调制器与探测器相互独立的限制，从而在宽视场条件下实现高灵敏度、高分辨率和快速采集，为新型中红外成像开辟了全新的技术路径。
图 2：中红外双光子计算成像概念图
具体地，研究团队利用近红外泵浦光加载空间结构，将其作为中红外信号的“全光学掩模” （图3）。当近红外泵浦光与中红外信号共同作用于硅基探测器时，两束光的光子能量相加超过带隙（ħωs + ħωp > Eg），触发电子跃迁并产生电流响应。每一幅泵浦光编码图案都会通过 ND-2PA 在探测器响应中留下“投影”，为后续计算重建提供加权信息。借助成熟的近红外调制技术，该方法避免了长波衍射带来的限制，将空间调制精度提升至约7 μm，并实现了11 μm的成像分辨率，充分验证了机制的有效性与优势。进一步地，研究团队展示了方案在多光谱与化学识别中的潜力。实验中，通过对聚苯乙烯（PS）与聚氯乙烯（PVC）薄膜的成像，系统在2.5-3.8 μm波段成功区分了不同材料的吸收特征，证明了其在化学选择性成像上的独特优势。
图3：中红外双光子计算成像原理与装置图
未来，该技术有望结合高数值孔径物镜与大面积探测器，将分辨率提升至百万像素级，实现超精细成像；通过优化泵浦波长与材料体系，可进一步拓展工作波段，增强分子指纹识别能力；同时，借助同步脉冲门控机制，该架构具备深度分辨能力，为高分辨率中红外三维成像提供新思路。
近期，研究团队在中红外计算光谱与成像领域取得了若干突破，先后发展了中红外单光子计算光谱[Laser Photon. Rev. 19,2401099 (2025)]、中红外单光子计算时域鬼成像 [Laser Photon. Rev. 19, 2402180 (2025)]、中红外空间频谱复用高速成像[Laser Photon. Rev. 19, 2500308 (2025)]以及中红外非线性小孔成像 [Optica 12, 1478 (2025)]等。上述研究得到科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师范大学的资助支持。
课题组网站：http://iphoton.ecnu.edu.cn
论文链接：Mid-infrared single-pixel imaging via two-photon optical encoding
