我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)超靈敏中紅外單光子成像
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3月15日，記者從重慶兩江新區(qū)兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)獲悉，華東師范大學(xué)重慶研究院黃坤研究員課題組利用硅基單像元探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了超靈敏中紅外單光子成像，在國(guó)際上率先展示了逼近量子探測(cè)極限的中紅外單像素成像性能。該研究成果于近日在線發(fā)表在《自然》子刊，曾和平教授為論文的共同通訊作者。
據(jù)了解，單光子探測(cè)技術(shù)可將光信號(hào)探測(cè)靈敏度提升至量子極限，極大延長(zhǎng)激光雷達(dá)的工作距離，在遠(yuǎn)距離激光測(cè)距、高分辨對(duì)地激光成像等需求應(yīng)用中至關(guān)重要，配合量子探測(cè)陣列、光子數(shù)可分辨探測(cè)等可降低背景噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的快速分辨等，具有人臉安全、高集成度、可拓展、量子關(guān)聯(lián)探測(cè)和光子數(shù)可分辨的特點(diǎn)，可應(yīng)用于測(cè)量與3D渲染、制圖與測(cè)高、物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人駕駛等領(lǐng)域。
黃坤研究員介紹，近年來(lái)，單像素成像作為新型計(jì)算成像技術(shù)方興未艾，具有傳統(tǒng)面陣探測(cè)器所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，單光子水平的單像素成像長(zhǎng)期以來(lái)僅局限在可見(jiàn)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(cè)手段與高分辨動(dòng)態(tài)空間調(diào)制器件。
該課題組提出基于非線性空間編碼的紅外上轉(zhuǎn)換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了超靈敏中紅外單光子成像，為提升分子圖譜測(cè)量靈敏度、拓展紅外遙感工作距離、增加高散射介質(zhì)成像穿透深度等創(chuàng)新應(yīng)用提供有力支撐。
針對(duì)單像素成像面臨的制約因素和關(guān)鍵共性難題，曾和平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于非線性結(jié)構(gòu)探測(cè)的中紅外單像素成像新技術(shù)，利用非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)光波段，利用高性能硅基探測(cè)器實(shí)現(xiàn)單光子水平的高靈敏探測(cè)，規(guī)避了傳統(tǒng)紅外探測(cè)器靈敏度不足的技術(shù)瓶頸；同時(shí)對(duì)泵浦光場(chǎng)的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行編碼調(diào)控，突破了傳統(tǒng)空間調(diào)制器件的工作波長(zhǎng)限制，解決了中遠(yuǎn)紅外波段高保真空間調(diào)控的難題。
研究表明，該研究團(tuán)隊(duì)所搭建的中紅外單像素成像系統(tǒng)可在0.5光子/脈沖極低照度下依然實(shí)現(xiàn)高對(duì)比的成像質(zhì)量，可為紅外微光成像、超遠(yuǎn)距離測(cè)距、深層材料檢測(cè)等光子稀疏應(yīng)用場(chǎng)景提供有力的表征與分析手段。
研究人員表示，進(jìn)一步融合機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能算法，單像素相機(jī)的成像性能將得到大幅提升，為發(fā)展適用于極端波長(zhǎng)的高靈敏、高分辨與高速率的多維成像提供全新的技術(shù)架構(gòu)。
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