近期，米兰在线登录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高分辨中红外成像方面取得重要进展，提出了中红外非线性傅里叶叠层成像新方法，结合泵浦场空间强度调控与频谱域孔径合成算法，突破了传统上转换成像系统性能受限于非线性介质截面尺寸的长期瓶颈，实现了大视场、高分辨、超灵敏的室温中红外单光子成像，为满足材料科学、化学分析及生物医学等领域对高通量红外检测的迫切需求提供了有力手段。相关成果以Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging为题在线发表在Optica权威学术期刊上（图1）。米兰在线登录为论文第一完成单位，博士生郑婷婷和韦焯航为共同第一作者，黄坤研究员与曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Optica在线刊发研究团队最新研究成果
中红外成像可获取目标辐射温度与化学成分等独特信息，在生物医学、材料科学及环境监测等领域具有广泛应用。长期以来，发展大视场、高分辨、高灵敏的中红外成像技术都是红外测控领域不断追求的重要目标，为满足高通量、低照度等极端场景的应用需求提供关键支撑，例如远距离红外遥感、大深度穿透成像、低光毒性生物组织观测以及无损伤光敏材料检测等。目前，中红外探测与成像器件受限于使用的窄带隙半导体材料，通常需要低温制冷抑制较为严重的暗电流与背景噪声，实现室温下高灵敏中红外成像仍颇具挑战。在此背景下，非线性上转换探测技术应运而生，其通过光学参量频率转换过程将红外信号高保真地转换至可见或近红外波段，从而充分利用该波段成熟度高且性能优越的光子探测与光场操控器件，为实现室温中红外单光子测控提供了有效手段。
迄今，上转换探测技术已被成功应用于许多高性能红外成像场景，在探测灵敏度与成像帧频上展现出巨大优势。然而上转换成像系统由于依赖于非线性转换，不可避免地受到频谱孔径限制，对于成像空间分辨率造成了显著影响，长期以来难以实现兼具大视场与高分辨的成像性能。为了提高系统的转换效率，上转换过程通常采用基于准相位匹配的光参量波长转换，可以避免光场波矢间的空间走离，具有较长的相互作用距离。但是，该技术需要采用特殊结构设计的非线性晶体，通过在晶体内部施加强电场（达数万伏特/毫米）等方式产生规律性的畴反转，以引入非线性极化率的周期跃变。受限于当前制备工艺，在保证极化结构精确度与一致性的前提下，周期极化晶体的厚度通常在毫米量级。所获得的晶体孔径极大限制了4f成像系统中空间频谱的工作带宽。因此，为了获得更高的空间分辨率，迫切需要发展新型的非线性成像架构，从而突破现存非线性介质截面尺寸的物理限制，为推进红外上转换成像技术更为广泛的应用奠定基础。
为此，黄坤研究员与曾和平教授团队提出了中红外非线性傅里叶叠层成像新方法，利用光场强度调控技术对泵浦光进行椭圆化整形和尺寸控制，从而充分利用非线性晶体的横向尺度；通过旋转傅里叶频谱域中的椭圆孔径，获取待测物体在各方向的空间高频分量；结合傅里叶叠层算法进行孔径合成，扩展了成像系统可以转换的空间频谱范围，最终实现高分辨的中红外上转换成像，有效突破了传统方案中非线性晶体引入的孔径限制。图2展示了不同泵浦条件下的成像性能。在高斯泵浦情况下，受限于晶体厚度，光束直径较小，光阑效应尤为显著，限制了成像系统的空间分辨率。相对而言，晶体截面的宽度仅受限于晶圆尺寸，可达数厘米，远大于厚度。因此，椭圆泵浦可以充分利用晶体的宽度尺寸，在长轴方向上可以获得明显的分辨率提升。类似地，通过旋转傅里叶平面的椭圆孔径，可以实现特定方向的分辨率提升。通过融合两个正交方向的图像信息，可以有效拓展采集的频谱空间，从而实现横纵两个方向分辨率的整体提升。
图2：中红外傅里叶叠层上转换成像概念图
图3展示了基于傅里叶叠层的中红外上转换成像装置图，为了获取目标物体不同方向的空间频谱信息，研究人员通过旋转台精确转动样品，同时采集对应角度下的上转换图像。该方法相对于旋转晶体（即孔径光阑）更为简单便捷，可以通过电控位移台与旋转台实现自动光学对准与数据采集。尽管采集的图像仅含强度信息，通过傅里叶叠层算法仍可以在有限迭代次数下稳定恢复出频谱的相位信息，从而实现多组频谱信息的融合，重构出样品高清的图像。值得一提的是，实验中采用了啁啾极化的非线性晶体，其在光场传输方向上具有线性啁啾排布的极化周期，可以形成渐变的倒格矢，以满足不同入射方向波矢的相位匹配，从而实现大视场、高分辨的上转换成像。
图3：中红外傅里叶叠层上转换成像装置图
为了更好地表征该技术的成像性能，研究团队采用星状测试靶研究不同方向的光学分辨率。如图4所示，研究人员每隔30°旋转一次样品，共采集了12个角度下的上转换图像，等效于将椭圆泵浦孔径旋转一周。在单一角度下采集的图像在特定方向具有较高分辨率，其对应了椭圆孔径的长轴指向。与之正交的方向，图像分辨率较低，即对应了短轴方向。在不同的旋转角度下，具有高分辨率的图像解析方向随之呈线性跟随变化。结合基于傅里叶叠层的光学孔径合成算法，研究人员将多次采集的强度图像进行迭代与融合，从而恢复出各向具有高分辨的成像效果。在直径为25毫米的成像视场下，获得了39微米的空间分辨率，对应了高达3.2×105的空间带宽积（即可分辨像元个数），比此前报道记录提高了至少一个量级。此外，得益于低噪声转换过程与高灵敏硅基相机，研究人员还展示了单光子水平的超灵敏成像性能，入射红外光强仅为1光子/脉冲/像素，实现了兼具大视场、高分辨、超灵敏的中红外单光子成像性能。
图4：中红外傅里叶叠层上转换实验结果图
所发展的非线性傅里叶叠层成像技术实现了现有非线性介质难以达到的有效孔径尺寸，突破了中红外上转换成像系统难以兼具大视场与高分辨的长期困境。未来，该技术可以拓展到其它缺乏高效成像手段的波长，通过选取合适的非线性介质有望实现长波红外或太赫兹谱段的高灵敏探测与高分辨成像，为非入侵、无损伤的高精度材料分析与表征提供支撑。此外，结合先进光谱成像技术与计算成像算法，有望发展出空间-光谱-时间高分辨的多维中红外成像架构，为生物、材料、化学等领域提供获取大通量红外信息的新手段。
近期，课题组在中红外非线性测控方面取得了系列突破性进展，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、重庆市与米兰(中国)的大力支持。
附：
论文链接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-12-1716&id=565374
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜蒋萱 编审｜郭文君
