华东师大实现宽带中红外双光子时域鬼成像新方案-感算商城

时域鬼成像是一种基于强度关联与计算重构的超快测量方法，可在探测器带宽受限条件下实现对高速时域信号的重建，因此在高速通信、波形分析及过程监测等领域具有广泛应用潜力。将时域鬼成像拓展至中红外波段具有重要意义。其一，该方法可突破传统中红外探测中受限于电子学带宽的瓶颈，为高时间分辨的中红外传感与测量提供有效途径；其二，中红外波段涵盖丰富的分子振动“指纹”信息，使其在红外光谱分析与分子动力学研究等方向具备独特优势。

然而，中红外时域鬼成像的实现仍面临多重挑战。该波段长期缺乏成熟的高速调制器与高灵敏探测器，面临着噪声较高与带宽受限等难题。近年来，非线性上转换探测技术极大缓解了探测瓶颈，但仍受到严格相位匹配条件、有限光谱覆盖范围以及复杂光路对准的制约。此外，现有时域鬼成像架构中调制与探测过程往往相互分离，增加了系统复杂度，限制了集成度与稳定性，从而阻碍了中红外时域鬼成像向宽光谱、高灵敏和实用化方向的发展。

据麦姆斯咨询报道，近日，华东师范大学曾和平教授与黄坤教授团队在中红外测控领域取得进展，提出并实现了基于非简并双光子吸收的宽带中红外时域鬼成像新方案，在硅探测器内同时实现中红外信号的调制与探测，可实现宽谱段、高灵敏与高分辨的中红外时域波形重构，为高速空间通信、高精度光谱分析等应用提供重要支撑。相关成果以“Mid-infrared temporal ghost imaging via two-photon structured encoding”为题近日发表在Photonics Research期刊上。华东师范大学为论文第一完成单位，何紫瑜硕士生为第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通讯作者。

研究团队提出并实验验证了一种基于非简并双光子吸收（ND-TPA）的中红外时域鬼成像新方案（图1）。该方法通过近红外结构化泵浦光与中红外信号在硅探测器中的时空重合，激发非简并双光子吸收过程，在半导体中产生光生载流子，实现对中红外信号的非线性调制与探测。

图1 (a) 中红外双光子时域鬼成像概念图；(b) 实验装置图

不同于依赖非线性晶体的频率转换机制，ND-TPA过程直接发生于探测器内部，不受相位匹配条件的制约，从而有效缓解了光路对准与波长调谐的复杂度。而且，近红外泵浦的时域调制信息可以通过ND-TPA过程直接作用于中红外信号，并以光强乘积形式转化为电学响应，使调制编码与信号探测在同一器件中协同完成，显著提升了系统的紧凑性与稳定性，同时具备室温工作与宽谱兼容等优势。

实验中，研究团队系统展示了该方法在时域重构、弱光探测及宽谱测量方面的性能优势。针对二值时域信号，在探测器带宽受限的条件下，该系统仍可实现超过响应带宽40倍的高保真时间波形重构（图2）。

图2 中红外双光子时域鬼成像及压缩感知成像

进一步地，在低光子通量条件下，该系统实现了0.05 pJ/pulse的中红外探测灵敏度，表明其具有良好的弱光探测性能。此外，研究人员在2.5–3.8 μm波段选取多个中红外波长开展时间信号重构实验，均获得稳定且准确的结果（图3）；且在波长切换过程中无需对系统进行复杂重调，验证了该方案在宽谱中红外时域测量中的良好适用性与鲁棒性。