超级红外感知：让你的世界多一种颜色

作者：张馨予

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#光学成像9个
撰稿 | 杨向飞（北京大学博士）
人眼能捕捉到波长在400纳米到700纳米之间的光子——在蓝光和红光对应的波长之间，因此这个波段的光被定义为“可见光”。但这只是电磁波谱的一小部分，400纳米以下还有紫外线，700纳米以上有红外辐射，红外辐射又分为近红外、中红外和远红外……在电磁波谱的每一个部分中，都有大量编码为“颜色”的信息，直到现在都还隐藏在暗处，等待人们去发掘。

超级红外感知：让你的世界多一种颜色

图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组
光谱中的“颜色”是非常重要的信息，很多分子都有其特征“颜色”（如分子振动、转动等）。例如，癌症细胞含有高浓度的具有特定“颜色”的分子，这些分子在红外区很容易被检测到，因此医学上可以通过红外相机对癌症进行诊断。但是目前的红外探测技术成本高昂，且成像效果有待提高。
最近，以色列特拉维夫大学的Haim Suchowski团队【⏬】开发了一种低成本、高效率的成像技术, 这项技术可以将整个中红外区域的光子转换到可见区域，进而可用于自然界中存在的、普通照相机或肉眼“看不见”的生物成像。

超级红外感知：让你的世界多一种颜色

图1 本文所述技术使得普通相机能够“看到”不可见的物体
图源：Tel Aviv University
相关研究成果发表在Laser & Photonics Reviews，标题为“Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion”。
Suchowski教授表示：“如果人类能看到红外光，我们将会看到像氢、碳和钠等元素都有自己独特的颜色。因此，通过对红外光的探测，环境监测卫星可以“看到”工厂排放的污染物，间谍卫星可以“看到”爆炸物或铀的存放之处；此外，由于每个物体都以红外线发出热量，因此这些信息即使在黑暗中也能被看到。”
由于大部分有机化合物的特征振动峰都位于红外(IR)波段，因此，光谱分辨的红外成像是远程化学鉴定中当之无愧的核心技术，在化学、生物、矿物学、环境科学等领域均有着巨大的应用价值。
通过非线性晶体将红外光转换为可见光，再借助廉价、高性能硅检测器进行检测，即可实现非线性上转换成像。相比于广泛使用但造价高昂、响应速度慢、空间分辨率低、灵敏度差且需要额外制冷的热传感成像技术而言，这种上转换成像技术具有很大的优势。然而，非线性光学的相位匹配问题严重限制了上转换技术的频谱带宽，往往需要复杂的串行采集才能覆盖较宽的频谱。
本文提出了一种基于绝热频率转换的中红外上转换成像方案，采用低成本、高灵敏度的可见CMOS传感器实现了中红外多色成像，辐射波段范围从2微米到4微米，全程无需调整转换晶体的相位匹配条件。

超级红外感知：让你的世界多一种颜色

图2 多光谱物体中红外成像
(a)目前应用最广泛的热成像，所得到的图像是在光谱带宽上集成的，因此缺乏颜色区分；
(b)基于绝热频率转换的上转换成像，可同时对多个红外波长成像，且成本低、灵敏度高、速度快。
图源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，Fig.1
绝热频率转换成像
本工作中，研究人员设计了绝热和频转换晶体(ASFG)，可以消除激发光（1030 nm）与中红外信号（2~4微米）之间的相位不匹配。将此晶体用于如图3所示的成像系统中，即可将2~4微米的波长转换到690~820纳米之间，实现超宽谱带范围的上转换成像。整个装置采用波长为1030 nm，重复速率为2MHz的超快脉冲激光作为激发源，通过可调谐光参量发生器激发红外发光以及绝热和频转换过程。

超级红外感知：让你的世界多一种颜色

图3. (a)基于绝热和频转换(ASFG)的上转换成像装置示意图；
(b)上转换成像结果展示：
从左到右原始发光波长分别为2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm，
上转换后波长在700 nm, 790 nm和810 nm。
图源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，Fig.2
超快时间成像能力
为了展示上转换成像技术的超快时间成像能力，作者将2微米和4微米两个波长的红外光信号分别通过5毫米厚的硅窗口；由于色散作用，两个波长的信号会发生时间上的分离，进而可以用短脉冲1030 nm泵浦激光(~800 fs)进行时间区分（如图4所示）。