高分辨与高灵敏的中红外时域探测与分析技术是解析超快动态过程与实现精密测量的重要手段，在远程红外大气遥感、深空自由空间通信、单分子超快动力学等领域具有广泛应用。然而，传统中红外探测器件在灵敏度、响应速度和工作温度等性能方面仍有待提升，亟待发展室温条件下兼具高时间分辨率与高探测灵敏度的红外测控新方法。近年来，时域鬼成像技术受到广泛关注，其利用光场的时间关联特性，允许使用低速探测器来重构高速时间信号，降低了对探测器响应带宽的苛刻要求。当前，时域鬼成像技术通常工作在可见光/近红外波段，亟待推进到更广阔的电磁波谱段，以满足更广泛应用的需求。特别地，在中红外波段，除了缺乏高带宽与高灵敏的光探测器件，在高速率与高保真的光场调制技术方面也尚不成熟。迄今，单光子水平的中红外时域鬼成像尚无报道，迫切需要发展高灵敏光子探测技术与高精度时域编码技术。
据麦姆斯咨询报道，华东师范大学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测控领域取得进展，提出了基于非线性波长变换的中红外单光子时域鬼成像技术（如图1），实现了高精度中红外单光子时域波形的精确重构，为量子光谱学、单分子物理与中红外通信等领域提供有力支撑。
图1 中红外单光子计算时域鬼成像概念图
相关成果以“Mid-Infrared Single-Photon Computational Temporal Ghost Imaging”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊。华东师范大学为论文的第一完成单位，研究生张雯为第一作者，黄坤研究员和曾和平教授为共同通讯作者。
图2 Laser & Photonics Reviews刊发研究团队最新成果
黄坤研究员与曾和平教授研究团队提出了基于非线性波长变换的中红外时域鬼成像技术，利用非线性光学差频与和频过程，突破了中红外波段高精度调制与高灵敏探测的双重挑战，利用低带宽硅基探测器实现了中红外高速波形的精确捕捉，展示了超越探测器时间抖动的高精度中红外单光子波形重构。具体而言，研究人员利用通信波段高速强度调制器对近红外连续光进行时域编码预调制，通过频率下转换过程将高速编码信息高保真转移至中红外波段，时域结构编码的分辨率达到80 ps，对应分析带宽为12.5 GHz，远超过现存商售中红外探测器的响应带宽。随后，携带编码图案的中红外信号通过待测时域目标，调制后的中红外编码脉冲序列由低带宽探测器进行强度积分采集。实验采用哈达玛编码序列，并采集了相应积分强度值。尽管时域“桶探测器”不具备时间分辨能力，但通过已知光场调制信息与信号探测结果的关联运算，可以恢复出时域目标信息，实现中红外时域计算鬼成像。
图3 中红外单光子计算时域鬼成像装置图
为了突破现存中红外探测器灵敏度不足的瓶颈，研究者采用基于外腔泵浦增强的频率上转换探测技术，将中红外时域调制信号高效低噪地转换至可见光波段，继而充分利用高性能硅基单光子探测器。实验中，中红外编码脉冲序列的光强被衰减至0.1光子/比特，通过单光子探测器对整个码图时间窗口内光子数的累积，依然可以精确重构出高信噪比中红外目标时域波形，首次展示了单光子照度下计算时域鬼成像。值得注意的是，该技术突破了传统单光子关联探测架构中的时间分辨精度，可以获得超越单光子探测器时间抖动的分辨率。此外，结合压缩感知算法，可在欠采样条件下将数据采集时间压缩90%以上，大幅提升弱光场景下的分析效率。
图4 中红外单光子计算时域鬼成像实验结果。(a) 高分辨中红外单光子时域波形；(b) 基于压缩感知算法的欠采样波形重构。
这项研究通过非线性波长变换与计算时域鬼成像的结合，首次实现了单光子灵敏度的中红外时域高速波形重构，突破传统探测器带宽与时间抖动的限制，为超快动力学探测与深空通信提供了室温高精度测控新方法。未来，该中红外单光子时域分析系统可以借助更高速近红外调制器件提升时间分辨率，进一步结合超短光学脉冲波形调控技术，有望实现飞秒量级的超高时域分辨精度，为中红外甚至更长波段单光子时域波形表征提供有力支撑。
近年来，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，实现了中红外非线性傅里叶叠层成像[Optica 11, 1716 (2024)]，构建了低阈值中红外光纤参量振荡器 [Photon. Res. 12, 2123 (2024)]，实现了超灵敏中红外单光子探测 [Adv. Photon. Nexus 3, 046002 (2024), Photonics Res. 12, 1294 (2024)]，发展了宽波段中红外单像素光谱技术 [Laser Photon. Rev. 18, 2301272 (2024), Laser Photon. Rev. 18, 2401099 (2024)]，并展示了高帧频中红外高光谱成像 [Nat. Comm. 15, 1811 (2024]。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范大学的资助。
https://doi.org/10.1002//por.202402180
