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科技日報記者 雍黎
3月15日，記者從重慶兩江新區兩江協同創新區獲悉，華東師范大學重慶研究院黃坤研究員課題組利用硅基單像元探測器實現了超靈敏中紅外單光子成像，在國際上率先展示了逼近量子探測極限的中紅外單像素成像性能。該研究成果于近日在線發表在《自然》子刊，曾和平教授為論文的共同通訊作者。
據了解，單光子探測技術可將光信號探測靈敏度提升至量子極限，極大延長激光雷達的工作距離，在遠距離激光測距、高分辨對地激光成像等需求應用中至關重要，配合量子探測陣列、光子數可分辨探測等可降低背景噪聲的影響，實現目標物的快速分辨等，具有人臉安全、高集成度、可拓展、量子關聯探測和光子數可分辨的特點，可應用于測量與3D渲染、制圖與測高、物聯網和無人駕駛等領域。
黃坤研究員介紹，近年來，單像素成像作為新型計算成像技術方興未艾，具有傳統面陣探測器所不具備的獨特優勢。不過，單光子水平的單像素成像長期以來僅局限在可見光/近紅外波段，主要制約因素在于在其他波段仍缺乏高性能單光子探測手段與高分辨動態空間調制器件。
基于非線性結構探測的中紅外單像素成像裝置示意圖。受訪者供圖
該課題組提出基于非線性空間編碼的紅外上轉換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測器實現了超靈敏中紅外單光子成像，為提升分子圖譜測量靈敏度、拓展紅外遙感工作距離、增加高散射介質成像穿透深度等創新應用提供有力支撐。
針對單像素成像面臨的制約因素和關鍵共性難題，曾和平教授團隊發展了基于非線性結構探測的中紅外單像素成像新技術，利用非線性波長轉換技術將紅外信號轉換至可見光波段，利用高性能硅基探測器實現單光子水平的高靈敏探測，規避了傳統紅外探測器靈敏度不足的技術瓶頸；同時對泵浦光場的空間強度分布進行編碼調控，突破了傳統空間調制器件的工作波長限制，解決了中遠紅外波段高保真空間調控的難題。
研究表明，該研究團隊所搭建的中紅外單像素成像系統可在0.5光子/脈沖極低照度下依然實現高對比的成像質量，可為紅外微光成像、超遠距離測距、深層材料檢測等光子稀疏應用場景提供有力的表征與分析手段。
研究人員表示，進一步融合機器學習與人工智能算法，單像素相機的成像性能將得到大幅提升，為發展適用于極端波長的高靈敏、高分辨與高速率的多維成像提供全新的技術架構。
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