华东师范大学曾和平、黄坤团队提出宽带中红外双光子时域鬼成像新方案

近日，华东师范大学曾和平教授、黄坤教授团队在中红外测控领域取得重要进展。 研究团队提出并实现了一种基于非简并双光子吸收（Non-degenerate Two-Photon Absorption）的宽带中红外时域鬼成像新方案。该技术利用硅探测器即可实现中红外信号的同步调制与探测，在无需复杂非线性晶体和严格相位匹配的情况下，实现了宽光谱、高灵敏、高时间分辨率的中红外时域波形重构。

相关成果以 “Mid-infrared temporal ghost imaging via two-photon structured encoding” 为题发表于 Photonics Research 2026年第5期。华东师范大学为第一完成单位，硕士研究生何紫瑜为第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通信作者。

中红外时域测量面临的挑战

中红外波段（2~20 μm）被称为分子的“指纹区”，在环境监测、生物医学诊断、精密光谱分析和自由空间通信等领域具有重要应用价值。然而，准确测量快速变化的中红外信号一直是个难题：

探测器性能受限：中红外探测器普遍存在噪声高、响应速度慢的问题。

超快过程难捕获：许多超快物理/化学过程的变化速度远远超过了传统电子学探测器的带宽极限。

近年来，“时域鬼成像”技术利用低速探测器和计算重构算法来恢复高速时间信号，为突破带宽限制提供了新思路。但将其拓展至中红外波段，仍面临高速调制器匮乏、探测灵敏度不足以及系统复杂度高等瓶颈。

创新方案：把调制与探测“装进同一个探测器”

针对上述难题，研究团队提出了一种全新的中红外时域鬼成像架构（图1）。该方案利用近红外泵浦光与中红外信号在硅探测器中的时空重合，通过非简并双光子吸收过程直接产生电学响应。

图1 (a) 中红外双光子时域鬼成像概念图；(b) 实验装置图

该机制具有两大核心优势：

同步调制与探测：近红外光携带的结构化编码信息直接传递给中红外信号，并同步转化为可读出的电学信号，无需额外的频率转换环节。

摆脱相位匹配限制：非线性过程直接在探测器内部发生，无需复杂的非线性晶体和精密光路调节，使系统更加紧凑、稳定，且具备室温工作和宽波段兼容等特点。

突破极限：超越探测器带宽40倍，实现弱光高保真重构

实验结果表明，该系统在多个关键指标上展现出优异性能：

超带宽测量：在探测器带宽仅为100 kHz的条件下，成功重构了时间分辨率达0.25 μs的中红外时域信号，实现了超过探测器本征带宽40倍以上的测量能力。

高效重构：结合压缩感知算法，仅利用20%的采样数据即可实现高质量重构，大幅缩短了数据采集时间。

极高灵敏度：中红外探测灵敏度达到0.05 pJ/pulse，在极弱光条件下仍能实现高保真测量。

宽谱适应性：在2.5~3.8 μm波段内，系统无需重新调整光路即可在多个波长下获得稳定准确的测量结果（图2）。

图2 中红外双光子时域鬼成像及压缩感知成像

图3 多波长中红外双光子时域鬼成像

总结与展望

该研究首次将非简并双光子吸收与时域鬼成像深度结合，实现了中红外信号调制、探测与重构的一体化。相较于传统方案，新方法结构更简单、波段更宽，具有良好的集成化潜力。

未来，随着高速电光调制器、高效率双光子探测器及智能算法的发展，该技术有望进一步提升时间分辨率和探测灵敏度，并在高速自由空间通信、超快分子动力学研究及新一代弱光探测系统等领域发挥重要作用。

该工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师范大学的共同资助。

（文章参考来源：“爱光学”公众号）

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