Nat. Commun.丨华东师大在中红外单光子成像取得新进展

撰稿|黄坤 方迦南

校对|曾和平

近日，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红外灵敏成像领域取得重要进展，在室温下实现了宽视场、超灵敏、高帧频的中红外光子成像。相关成果以Wide-field mid-infrared single-photon upconversionimaging为题于北京时间2022年2月28日在《自然通讯》杂志在线发表。

中红外光子成像广泛应用于分子光谱学、空间天文学等基础研究，以及红外遥感、环境监测、疾病诊断等应用领域中。当前，成熟的中红外相机主要基于碲镉汞、锑化铟等窄带半导体材料，通常需要采用低温制冷提升探测灵敏度。发展能够室温工作的中红外超灵敏成像一直以来都是国际研究的热点。近年来，红外上转换探测技术备受关注，其通过非线性过程将红外光场转换至高性能硅基探测器件能够响应的波段，为高效低噪的红外单光子测控提供了有效途径。然而，受严格相位匹配限制，现存上转换成像方案面临着探测带宽窄、视场角受限等亟待解决的难题，往往依赖参数调谐或机械扫描等方式，需要后期拼接配准图像空间信息，致使图像采集耗时长，后处理过程复杂，极大限制了上转换成像技术的应用场景。

为此，研究团队提出了基于啁啾准相位匹配的广角上转换成像技术，利用啁啾极化铌酸锂晶体（CPLN）实现不同角度入射信号的自适应相位匹配。具体地，与周期性极化的铌酸锂晶体（PPLN）的单一周期性不同，研究人员所采用的CPLN晶体中覆盖了一系列特别设计的极化反转周期，能够满足不同角度入射信号的高效非线性转换，从而实现成像视场的大幅提升，且无需参数调节与扫描，为大视场单次高速快照提供了可能。

图 2：宽视场中红外上转换成像原理图和装置图

同时，该团队结合同步脉冲泵浦技术与窄带高效滤波技术有效压制了背景噪声，获得了1光子/脉冲极低照度下单光子水平的中红外大视场成像。结合宽视场与高灵敏特性，研究人员进一步利用该中红外成像系统实现了校园卡内部结构的实时扫描检测，清晰识别了卡片内嵌芯片与金属线圈（图3）。该成像技术有望应用于半导体芯片检测、材料无损探伤等领域。

图 3：利用中红外上转换成像系统扫描校园卡内部结构，内嵌的芯片与线圈清晰可见

上述上转换广角成像技术通过单次采集即可实现大视场成像，规避了传统上转换方案对机械扫描、参数调节或数据后处理的依赖，显著提升了成像速率。具体地，该团队采用高性能硅基CMOS相机实现了超高速中红外成像，实时拍摄了高速旋转的斩波片，其外沿线速度高达30 m/s（图4）。得益于成像系统的高灵敏度，实验中相机曝光时间可低至微秒量级，中红外成像帧频达到了216 000帧/秒，相比于现有中红外相机提高了2-3个量级。

图 4：超高速中红外成像。右下角成像帧频达到216 000 帧/秒，图示播放帧频较真实值减慢了2万倍左右。

此外，该系统还具有高精度三维成像能力，利用超快光学符合门控技术，可以精确测量反射信号光子的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。研究人员通过在银镜上叠加分辨率测试靶来模拟三维成像场景：测试靶铬涂覆层表面反射形成的阴文图案与透射光束被银镜反射的阳文图案将先后进入成像系统，通过扫描泵浦脉冲的时间延迟即可精确分辨两个图案的相对位置（图5）。成像系统的纵向分辨精度取决于双色超短脉冲脉宽，若进一步压缩双色脉冲脉宽至百飞秒水平，三维扫描精度有望达到微米量级。

图 5：中红外三维扫描成像。

基于该技术所实现的中红外成像系统具备高灵敏、高分辨、高帧频等优点，所涉及的最大信号接收角对晶体温度的依赖性较弱，在室温下即可获得稳定的大视场成像结果。同时，拓宽成像接收角度在成像系统中意味着收集得到更多的信号高频成分，可以实现空间高分辨成像，为中红外上转换显微系统的设计提供了一种新思路。此外，通过优化CPLN的极化周期，该技术能够进一步用于实现3-5 μm波段范围的宽带广角转换，结合当前成熟的可见光分光技术，有望发展出超灵敏中红外高速高光谱成像分析仪，可为高通量生物与材料多维（空间-时间-光谱）复合检测提供新工具。

近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外光子测控方面开展了系列工作，基于非简并双光子吸收实现了超灵敏硅基红外探测与成像[Phys. Rev. Appl. 14, 064035 (2020); IEEE J. Sel.Top. Quan. Electron. 28, 3801107 (2022)],利用高效上转换探测实现了中红外光子数分辨[Photon. Res. 9, 259 (2021)]，结合螺旋相衬技术实现了中红外单光子边缘成像[Laser Photon. Rev. 15, 2100189 (2021)]。相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委与华东师大的共同资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28716-8

黄坤：研究员、博导，入选华东师范大学紫江优秀青年、上海市及国家海外青年人才。2015年获法国巴黎高师和华东师范大学双博士学位，长期从事红外光场精密调控与红外超灵敏探测等前沿领域的研究，致力于发展红外光场产生、调控以及探测的新机理和新方法，探究红外光梳精密光谱、红外量子探测与成像等创新应用。迄今在Nature Photon.、Nature Comm.、PRL、LPR、Optica等期刊共发表学术论文60余篇，主持国家及省部级科研项目6项。

曾和平：华东师范大学教授、博导。入选长江学者、国家杰青、新世纪百千万人才工程国家级人选及上海市领军人才等，长期从事精密光谱与量子探测的前沿研究，2016年入选OSA Fellow。近年来，主持了“高精度光梳相干成像分析仪的应用与工程化开发”国家重大科学仪器设备开发专项、“超短脉冲激光隐形切割系统及应用”国家重点研发计划专项等。应邀担任加拿大Laval大学兼职教授、国际著名学术期刊Optics Letters主题编辑、Nanomaterials客座编辑、EuropeanPhysical Journal D编委、Scientific Reports编委、《现代应用物理》编委和《光学学报》编委。

课题组网站：

http://iphoton.ecnu.edu.cn