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华东师大曾和平教授团队在中红外单光子成像取得进展

2022年03月01日 学术卓越

  华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授团队在红外灵敏成像领域取得重要进展,提出了基于啁啾极化晶体的上转换广角成像新方法,实现了宽视场、超灵敏、高帧频的中红外光子成像,可为分子光谱、天文观测、环境遥感及生物医疗等诸多领域提供有力支撑。相关成果于近日以题为 Wide-field mid-infrared single-photon upconversion imaging 的研究论文在线发表在 Nature Communications 。华东师大为论文的完成单位,曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。

《自然》子刊刊登曾和平教授课题组研究成果

  中红外波段位于分子指纹光谱区,涵盖了地球大气多个透射窗口,实现中红外波段超灵敏探测与成像不仅推动着分子光谱学、空间天文学等基础研究发展,而且在红外遥感、污染监测、疾病诊断等方面有着重要应用。长期以来,如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外光子测控领域的国际研究热点。近年来,红外上转换探测技术备受关注,其结合高保真光子频率变换与高性能硅基探测器件,为红外单光子探测与成像提供了一条可行之道。然而,现存上转换探测方案受相位匹配限制,信号接收角较小,难以实现宽视场成像,是当前阻碍该技术向更广泛应用推进的最主要瓶颈。

宽视场中红外上转换成像原理图和装置图

  为此,曾和平教授团队提出了基于啁啾准相位匹配的上转换广角成像技术,利用啁啾极化铌酸锂晶体(CPLN)实现了不同角度入射信号的自适应相位匹配,获得的接收角较传统方案提升了至少1个量级。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。进一步地,研究人员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,清晰识别了卡片芯片与金属线圈。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。

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

  值得一提的是,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30m/s。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。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。结合高灵敏、高分辨、高帧频的优点,所形成的大视场成像技术有望发展出超灵敏中红外时间分辨光谱成像分析仪,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。

超高速中红外成像。右下角成像帧频达到216 000帧/秒,图示播放帧频相较于实际速率减慢了2万余倍。

  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[Phys. Rev. Appl. 14, 064035 (2020)],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。

附:

论文链接:Wide-field mid-infrared single-photon upconversion imaging


图文、来源丨精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑丨杜玥 编审丨郭文君