Mid-infrared single-photon computational temporal ghost imaging
本文提出了一种中红外计算时间鬼成像系统，该系统利用非线性光学转换将中红外信号上转换至近红外，从而实现80皮秒的时间分辨率和单光子灵敏度，并通过压缩感知以超过90%的数据采集缩减率实现高速、高灵敏度的波形重建。
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想象一下，你正试图拍摄蜂鸟翅膀的高速照片。问题在于，你的相机速度太慢，无法清晰捕捉运动，而这只鸟又太小、太微弱，以至于相机的传感器几乎完全无法探测到它。这正是科学家在测量快速、微弱的中红外（MIR）光闪光时所面临的挑战——这是一种从化学传感至安全通信等各个领域都在使用的不可见光。
传统上用于此类光的相机（探测器）要么速度太慢，无法捕捉快速动作；要么“噪声”太大，若不将它们置于巨大且昂贵的冷冻环境中，就无法观测到微弱信号。
本文介绍了一种巧妙的变通方法，称为计算时域鬼成像。不妨将其理解为并非直接拍照，而是通过解决一个复杂的谜题，来重建你从未直接见过的图像。
以下是该系统的运作原理，分解为简单步骤：
1. “翻译官”策略（频率转换）
研究人员意识到，为红外光制造超快、超灵敏的相机极其困难。因此，他们并未制造更好的相机，而是构建了一个翻译官。
- 问题：他们需要测量快速、微弱的中红外信号。
- 解决方案：他们利用一种特殊晶体充当“语言翻译官”。他们将不可见的中红外光瞬间“翻译”成近红外光（这种光更接近我们用于光纤互联网电缆的光）。
- 原因：我们早已拥有卓越的、超快且超灵敏的近红外光相机。通过转换信号，他们可以利用这些高科技相机来“看见”不可见的中红外光。
2. “皮影戏”游戏（鬼成像）
既然能够转换光，如何捕捉快速运动呢？他们使用了一种称为鬼成像的技术。
想象你在一个黑暗的房间里，身边有一位朋友。你想知道一个隐藏物体的形状，但你无法直接观察它。
- 设置：你用手电筒照射该物体，但在光源前放置了一个带图案的屏幕（如带孔的模板）。
- “桶”：你使用的不是拍照相机，而是一个简单的“桶”探测器，它仅测量穿过物体的光的总量。它看不见形状，只能感知总亮度。
- 技巧：你快速改变模板图案（就像快速翻动一副扑克牌）。对于每种图案，你记录下到达“桶”的总光量。
- 重建：尽管“桶”从未见过形状，但计算机可以结合你使用的图案和你记录的总光量，通过数学运算，精确重建出物体的模样。
在本实验中，“物体”是快速变化的光脉冲，而“模板”则是由计算机生成的快速光图案。
3. 结果：看见不可见之物
该团队结合了这两个概念，实现了三大壮举：
- 超高速（80 皮秒）：他们成功重建了分辨率为 80 皮秒（即 80 万亿分之一秒）的光脉冲。为了便于理解，光在这一时间内大约传播 2.4 厘米。他们的系统速度快到足以看清通常被较慢相机模糊掉的细节。
- 超高灵敏度（单光子）：他们证明，即使光线微弱到平均每个数据位只有不到一个光子（单个光粒子）击中探测器，该系统仍能工作。这就像能在飓风中听到耳语。
- 高效性（压缩感知）：通常，要构建完美图像，需要尝试数千种图案。他们使用了一种智能数学算法（压缩感知），使他们能够跳过大部分图案。他们仅用通常所需数据的 10% 到 20% 即可重建图像，节省了超过 90% 的时间。
核心结论
本文展示了一种无需专用、昂贵或极低温相机即可“看见”快速、微弱、不可见光的新方法。通过将光“翻译”成现有相机能理解的语言，并利用“皮影戏”数学技巧，他们能够捕捉中红外光谱中的高速、单光子事件。
这是一项突破，因为它使科学家能够研究快速化学反应，或以高速度和灵敏度通过空气传输数据，而所使用的设备可在室温下工作，无需此类精密测量通常所需的极端冷却。
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