中红外光谱分析技术作为物质表征和鉴定的强大工具，广泛应用于环境、材料、化学和医学等多个领域。特别在许多低光照应用场景中，如远距离污染监测、无损伤文物鉴定和低光毒性细胞观测等，对于高灵敏中红外光谱探测技术的需求尤为迫切。然而，中红外光谱仪通常采用窄带隙红外探测器，受内部暗电流和环境热噪声的影响，导致室温下探测灵敏度受限。此外，常见的红外色散光谱仪依赖于大面阵探测器件或光栅旋转实现光谱测量，前者受像素规模限制往往面临着光谱分辨率与分析带宽之间的权衡难题，对于单光子探测阵列尤为显著；后者则需机械转动部件，限制了光谱仪的成谱速度和鲁棒性。相比之下，基于干涉测量的傅里叶变换红外光谱仪利用单像素探测器即可实现光谱测量，兼具波长复用与光通量高的优点，但需借助机械扫描获取干涉图谱，增加了系统复杂度与采集时间。
近年来，单像素计算光谱技术方兴未艾，其通过空间光调制和单像素探测实现波长复用的高通量光谱测量，突破了传统狭缝式光谱技术中高分辨率和高信噪比间的原理性制约关系。然而，由于缺乏高灵敏中红外探测器，单光子水平的单像素计算光谱仪长期局限于可见光/近红外波段。此外，实现中红外单像素光谱的另一个制约因素是缺乏高保真的空间调制器件。基于液晶或数字微镜元件的传统空间光调制器的工作波长范围有限，调控性能不可避免地受到长波衍射效应的影响。迄今，实现宽波段、高灵敏、高分辨的中红外单像素计算光谱仍颇具挑战，亟待发展新型的红外探测与调制技术。
图1 中红外上转换计算光谱仪的概念图
据麦姆斯咨询报道，华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室黄坤研究员与曾和平教授团队在中红外单光子光谱探测方面取得重要进展，开发了宽波段、高分辨、超灵敏的中红外上转换压缩光谱测量技术，可为环境监测遥感、痕量分析和生物观测等应用提供支撑。相关成果以“Mid-Infrared Single-Photon Compressive Spectroscopy”为题发表于Laser & Photonics Reviews期刊。华东师大为论文的第一完成单位，孙奔博士生为第一作者，黄坤研究员和曾和平教授为共同通讯作者。
研究团队创新结合频率上转换探测技术和波长编码计算光谱技术，突破了中红外波段高灵敏探测和高分辨率调制的难题，实现了单光子水平的中红外单像素计算光谱仪，通过单像素硅基探测器即可在宽红外光谱范围内实现单光子灵敏度和亚波数光谱分辨率。具体来说，频率上转换技术可以利用近红外波段的高保真空间光调制器和高灵敏硅基探测器进行光谱调制和光子计数。同时，光谱编码技术无需大面阵探测器件或机械旋转光栅，通过高速空间光调制器执行波长动态编码操作，利用单像素探测器获取光谱信息，具备高通量和波长复用的优势。所发展的计算光谱仪包含光谱编码和解码过程，可融合压缩感知测量方法，实现远低于奈奎斯特采样率的压缩采样和光谱重构。此外，空间光调制器的灵活编码能力使得研究人员能够对特定光谱区域进行自适应测量，进一步提高光谱采集效率；或在感兴趣区域进行更为精细的采样，为兼顾高分辨率和宽光谱覆盖提供了有效途径。
图2 中红外单光子计算光谱的装置图
实验中，研究人员利用啁啾脉冲泵浦技术，将光谱覆盖范围3.1-3.9 μm的宽波段红外光谱信息精确地上转换到近红外波段。随后，可编程空间光调制器对空间分散的上转换光进行高保真的光谱编码，利用硅基单像素探测器记录调制后的信号强度。最终，根据编码矩阵和与之对应的信号强度，通过关联求解重构出红外光谱信息，在低至0.01 photons/nm/pulse的单光子照度下实现了0.5 cm⁻¹的光谱分辨率。而且，结合压缩感知算法，数据采集时间被大幅减少了95%，对于提升少光子下微光光谱分析速率尤为关键。因此，所发展的中红外单像素计算光谱仪具有宽光谱覆盖范围、亚波数分辨率和单光子灵敏度的优异性能，有望为材料分析和生命科学中所需的灵敏快速红外光谱分析提供了新工具。
图3 中红外计算光谱系统的性能表征。(a) 宽波段光谱覆盖；(b) 高光谱分辨率；(c) 欠采样下的压缩光谱重构；(d) 高探测灵敏度。
研究团队搭建了单光子探测灵敏度的中红外单像素计算光谱仪，结合了上转换探测和单像素光谱的双重优势，摆脱了对大面阵探测器件和机械扫描部件的依赖，利用单像素光子探测器能够在宽光谱覆盖范围内实现亚波数的光谱分辨率。值得一提的是，该技术可以扩展到长波红外或太赫兹区域，以满足该谱段对于高灵敏度和高分辨光谱测量的迫切需求。未来，融合多维计算成像技术，还可获取样品的空间、偏振与相位等多自由度信息，为材料、化学、医学、生物等领域提供新型的分析手段。
近年来，该研究团队在红外单光子非线性测控方面开展了系列创新研究，发展了中红外单光子时间拉伸光谱 [Laser Photonics Rev. 18, 2301272 (2024)]、中红外单光子单像素成像 [Nature Commun. 14, 1073 (2023)]、中红外高光谱视频成像 [Nature Comm. 15, 1811 (2024)] 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。
https://doi.org/10.1002/lpor.202401099
