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科技日报记者 雍黎
3月15日，记者从重庆两江新区两江协同创新区获悉，华东师范大学重庆研究院黄坤研究员课题组利用硅基单像元探测器实现了超灵敏中红外单光子成像，在国际上率先展示了逼近量子探测极限的中红外单像素成像性能。该研究成果于近日在线发表在《自然》子刊，曾和平教授为论文的共同通讯作者。
据了解，单光子探测技术可将光信号探测灵敏度提升至量子极限，极大延长激光雷达的工作距离，在远距离激光测距、高分辨对地激光成像等需求应用中至关重要，配合量子探测阵列、光子数可分辨探测等可降低背景噪声的影响，实现目标物的快速分辨等，具有人脸安全、高集成度、可拓展、量子关联探测和光子数可分辨的特点，可应用于测量与3D渲染、制图与测高、物联网和无人驾驶等领域。
黄坤研究员介绍，近年来，单像素成像作为新型计算成像技术方兴未艾，具有传统面阵探测器所不具备的独特优势。不过，单光子水平的单像素成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于在其他波段仍缺乏高性能单光子探测手段与高分辨动态空间调制器件。
基于非线性结构探测的中红外单像素成像装置示意图。受访者供图
该课题组提出基于非线性空间编码的红外上转换单像素成像新方法，利用硅基单像元探测器实现了超灵敏中红外单光子成像，为提升分子图谱测量灵敏度、拓展红外遥感工作距离、增加高散射介质成像穿透深度等创新应用提供有力支撑。
针对单像素成像面临的制约因素和关键共性难题，曾和平教授团队发展了基于非线性结构探测的中红外单像素成像新技术，利用非线性波长转换技术将红外信号转换至可见光波段，利用高性能硅基探测器实现单光子水平的高灵敏探测，规避了传统红外探测器灵敏度不足的技术瓶颈；同时对泵浦光场的空间强度分布进行编码调控，突破了传统空间调制器件的工作波长限制，解决了中远红外波段高保真空间调控的难题。
研究表明，该研究团队所搭建的中红外单像素成像系统可在0.5光子/脉冲极低照度下依然实现高对比的成像质量，可为红外微光成像、超远距离测距、深层材料检测等光子稀疏应用场景提供有力的表征与分析手段。
研究人员表示，进一步融合机器学习与人工智能算法，单像素相机的成像性能将得到大幅提升，为发展适用于极端波长的高灵敏、高分辨与高速率的多维成像提供全新的技术架构。
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