近期，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃坤研究員與曾和平教授團(tuán)隊(duì)在高分辨中紅外成像方面取得重要進(jìn)展，提出了中紅外非線性傅里葉疊層成像新方法，結(jié)合泵浦場空間強(qiáng)度調(diào)控與頻譜域孔徑合成算法，突破了傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)性能受限于非線性介質(zhì)截面尺寸的長期瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大視場、高分辨、超靈敏的室溫中紅外單光子成像，為滿足材料科學(xué)、化學(xué)分析及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Ω咄考t外檢測的迫切需求提供了有力手段。相關(guān)成果以Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging為題在線發(fā)表在Optica權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上（圖1）。華東師范大學(xué)為論文第一完成單位，博士生鄭婷婷和韋焯航為共同第一作者，黃坤研究員與曾和平教授為共同通訊作者。
圖1：Optica在線刊發(fā)研究團(tuán)隊(duì)最新研究成果
中紅外成像可獲取目標(biāo)輻射溫度與化學(xué)成分等獨(dú)特信息，在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。長期以來，發(fā)展大視場、高分辨、高靈敏的中紅外成像技術(shù)都是紅外測控領(lǐng)域不斷追求的重要目標(biāo)，為滿足高通量、低照度等極端場景的應(yīng)用需求提供關(guān)鍵支撐，例如遠(yuǎn)距離紅外遙感、大深度穿透成像、低光毒性生物組織觀測以及無損傷光敏材料檢測等。目前，中紅外探測與成像器件受限于使用的窄帶隙半導(dǎo)體材料，通常需要低溫制冷抑制較為嚴(yán)重的暗電流與背景噪聲，實(shí)現(xiàn)室溫下高靈敏中紅外成像仍頗具挑戰(zhàn)。在此背景下，非線性上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其通過光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換過程將紅外信號高保真地轉(zhuǎn)換至可見或近紅外波段，從而充分利用該波段成熟度高且性能優(yōu)越的光子探測與光場操控器件，為實(shí)現(xiàn)室溫中紅外單光子測控提供了有效手段。
迄今，上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)已被成功應(yīng)用于許多高性能紅外成像場景，在探測靈敏度與成像幀頻上展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。然而上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)由于依賴于非線性轉(zhuǎn)換，不可避免地受到頻譜孔徑限制，對于成像空間分辨率造成了顯著影響，長期以來難以實(shí)現(xiàn)兼具大視場與高分辨的成像性能。為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，上轉(zhuǎn)換過程通常采用基于準(zhǔn)相位匹配的光參量波長轉(zhuǎn)換，可以避免光場波矢間的空間走離，具有較長的相互作用距離。但是，該技術(shù)需要采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非線性晶體，通過在晶體內(nèi)部施加強(qiáng)電場（達(dá)數(shù)萬伏特/毫米）等方式產(chǎn)生規(guī)律性的疇反轉(zhuǎn)，以引入非線性極化率的周期躍變。受限于當(dāng)前制備工藝，在保證極化結(jié)構(gòu)精確度與一致性的前提下，周期極化晶體的厚度通常在毫米量級。所獲得的晶體孔徑極大限制了4f成像系統(tǒng)中空間頻譜的工作帶寬。因此，為了獲得更高的空間分辨率，迫切需要發(fā)展新型的非線性成像架構(gòu)，從而突破現(xiàn)存非線性介質(zhì)截面尺寸的物理限制，為推進(jìn)紅外上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
為此，黃坤研究員與曾和平教授團(tuán)隊(duì)提出了中紅外非線性傅里葉疊層成像新方法，利用光場強(qiáng)度調(diào)控技術(shù)對泵浦光進(jìn)行橢圓化整形和尺寸控制，從而充分利用非線性晶體的橫向尺度；通過旋轉(zhuǎn)傅里葉頻譜域中的橢圓孔徑，獲取待測物體在各方向的空間高頻分量；結(jié)合傅里葉疊層算法進(jìn)行孔徑合成，擴(kuò)展了成像系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換的空間頻譜范圍，最終實(shí)現(xiàn)高分辨的中紅外上轉(zhuǎn)換成像，有效突破了傳統(tǒng)方案中非線性晶體引入的孔徑限制。圖2展示了不同泵浦條件下的成像性能。在高斯泵浦情況下，受限于晶體厚度，光束直徑較小，光闌效應(yīng)尤為顯著，限制了成像系統(tǒng)的空間分辨率。相對而言，晶體截面的寬度僅受限于晶圓尺寸，可達(dá)數(shù)厘米，遠(yuǎn)大于厚度。因此，橢圓泵浦可以充分利用晶體的寬度尺寸，在長軸方向上可以獲得明顯的分辨率提升。類似地，通過旋轉(zhuǎn)傅里葉平面的橢圓孔徑，可以實(shí)現(xiàn)特定方向的分辨率提升。通過融合兩個(gè)正交方向的圖像信息，可以有效拓展采集的頻譜空間，從而實(shí)現(xiàn)橫縱兩個(gè)方向分辨率的整體提升。
圖2：中紅外傅里葉疊層上轉(zhuǎn)換成像概念圖
圖3展示了基于傅里葉疊層的中紅外上轉(zhuǎn)換成像裝置圖，為了獲取目標(biāo)物體不同方向的空間頻譜信息，研究人員通過旋轉(zhuǎn)臺精確轉(zhuǎn)動樣品，同時(shí)采集對應(yīng)角度下的上轉(zhuǎn)換圖像。該方法相對于旋轉(zhuǎn)晶體（即孔徑光闌）更為簡單便捷，可以通過電控位移臺與旋轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)自動光學(xué)對準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集。盡管采集的圖像僅含強(qiáng)度信息，通過傅里葉疊層算法仍可以在有限迭代次數(shù)下穩(wěn)定恢復(fù)出頻譜的相位信息，從而實(shí)現(xiàn)多組頻譜信息的融合，重構(gòu)出樣品高清的圖像。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中采用了啁啾極化的非線性晶體，其在光場傳輸方向上具有線性啁啾排布的極化周期，可以形成漸變的倒格矢，以滿足不同入射方向波矢的相位匹配，從而實(shí)現(xiàn)大視場、高分辨的上轉(zhuǎn)換成像。
圖3：中紅外傅里葉疊層上轉(zhuǎn)換成像裝置圖
為了更好地表征該技術(shù)的成像性能，研究團(tuán)隊(duì)采用星狀測試靶研究不同方向的光學(xué)分辨率。如圖4所示，研究人員每隔30°旋轉(zhuǎn)一次樣品，共采集了12個(gè)角度下的上轉(zhuǎn)換圖像，等效于將橢圓泵浦孔徑旋轉(zhuǎn)一周。在單一角度下采集的圖像在特定方向具有較高分辨率，其對應(yīng)了橢圓孔徑的長軸指向。與之正交的方向，圖像分辨率較低，即對應(yīng)了短軸方向。在不同的旋轉(zhuǎn)角度下，具有高分辨率的圖像解析方向隨之呈線性跟隨變化。結(jié)合基于傅里葉疊層的光學(xué)孔徑合成算法，研究人員將多次采集的強(qiáng)度圖像進(jìn)行迭代與融合，從而恢復(fù)出各向具有高分辨的成像效果。在直徑為25毫米的成像視場下，獲得了39微米的空間分辨率，對應(yīng)了高達(dá)3.2×105的空間帶寬積（即可分辨像元個(gè)數(shù)），比此前報(bào)道記錄提高了至少一個(gè)量級。此外，得益于低噪聲轉(zhuǎn)換過程與高靈敏硅基相機(jī)，研究人員還展示了單光子水平的超靈敏成像性能，入射紅外光強(qiáng)僅為1光子/脈沖/像素，實(shí)現(xiàn)了兼具大視場、高分辨、超靈敏的中紅外單光子成像性能。
圖4：中紅外傅里葉疊層上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
所發(fā)展的非線性傅里葉疊層成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有非線性介質(zhì)難以達(dá)到的有效孔徑尺寸，突破了中紅外上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)難以兼具大視場與高分辨的長期困境。未來，該技術(shù)可以拓展到其它缺乏高效成像手段的波長，通過選取合適的非線性介質(zhì)有望實(shí)現(xiàn)長波紅外或太赫茲譜段的高靈敏探測與高分辨成像，為非入侵、無損傷的高精度材料分析與表征提供支撐。此外，結(jié)合先進(jìn)光譜成像技術(shù)與計(jì)算成像算法，有望發(fā)展出空間-光譜-時(shí)間高分辨的多維中紅外成像架構(gòu)，為生物、材料、化學(xué)等領(lǐng)域提供獲取大通量紅外信息的新手段。
近期，課題組在中紅外非線性測控方面取得了系列突破性進(jìn)展，構(gòu)建了低閾值中紅外光纖參量振蕩器 [Photon. Res. 12, 2123 (2024)]，實(shí)現(xiàn)了超靈敏中紅外單光子探測 [Adv. Photon. Nexus 3, 046002 (2024), Photonics Res. 12, 1294 (2024)]，發(fā)展了寬波段中紅外單像素光譜技術(shù) [Laser Photon. Rev. 18, 2301272 (2024), Laser Photon. Rev. 18, 2401099 (2024)]，并展示了高幀頻中紅外高光譜成像 [Nat. Comm. 15, 1811 (2024]。相關(guān)工作得到了科技部、基金委、上海市、重慶市與華東師大的大力支持。
附：
論文鏈接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-12-1716&id=565374
來源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技處 編輯｜蔣萱 編審｜郭文君
