Single-Photon Infrared Imaging with a Silicon Camera Based on Long-Wavelength-Pumping Two-Photon Absorption
本文通过采用长波泵浦双光子吸收方案的硅基EMCCD，实验演示了一种超灵敏单光子红外成像系统，该系统实现了30倍的光子计数率增强、13 m的空间分辨率以及5-ps的时间分辨率，适用于低光照显微成像和3D成像等应用。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图在黑暗中拍摄一个非常微弱的东西，比如森林里夜间闪烁的一只萤火虫。问题在于，你使用的相机（一种标准的硅基相机）对这种萤火虫发出的光色是“盲”的。硅基相机非常擅长捕捉可见光（如彩虹的颜色），但它们看不见电信领域使用的红外光。
这篇论文描述了研究人员使用的一种巧妙技巧，使标准的硅基相机能够“看见”这种不可见的红外光，并且具有极高的灵敏度。
以下是他们实现这一目标的原理，通过简单的概念进行了拆解：
1. “两人抬举”类比（双光子吸收）
通常情况下，为了让硅基相机记录下一张图像，单个光子（光的粒子）需要拥有足够的能量来跨越硅材料中的一个“间隙”。红外光子就像是小孩子；他们太矮了，靠自己无法触及间隙顶端的高度。
研究人员使用了被称为双光子吸收的技术。想象红外光子是一个无法够到墙顶的小孩，研究人员引入了第二束更强的光（“泵浦光”），它扮演着巨人的角色。
- 巨人（泵浦光子）抓住了孩子（信号光子）。
- 两人合力，就有了足够的高度跳过墙壁并落在另一侧，从而产生相机可以识别的信号。
2. “沉默的巨人”技巧（长波长泵浦）
通常，当你用一个巨人来帮助小孩跳跃时，这个巨人可能会因为过于响亮或明亮而产生很多“噪声”（静电干扰），从而毁掉画面。在之前的实验中，那个“巨人”光线非常强，以至于产生了自身的背景噪声，使得很难看清微弱的信号。
研究人员使用了一种特殊的巨人：长波长泵浦。
- 他们选择了一种如此“长”（低能量）的泵浦光，以至于即使有两个这样的泵浦光在一起，它们也无法独自跳过那道墙。
- 结果： 这个巨人本身是安静且隐形的。只有当他们两人同时出现时，他才会帮助孩子跳跃。这消除了背景噪声，使微弱的信号变得更加清晰。
3. 结果：看见不可见之物
由于他们消除了噪声并提高了“抬举”的效率，结果令人印象深刻：
- 超高灵敏度： 他们可以探测到极其微弱的光，其强度本质上仅为每个像素一个光子。这就像是在一个巨大的体育场里，在没有任何其他光照的情况下，能看见一只萤火虫的闪烁。
- 提升32倍： 与他们旧的方法（巨人虽然提供了帮助但也带来了噪声）相比，这种新方法在计数这些微弱光子方面的效率提高了约32倍。
- 高细节： 因为他们不需要复杂的透镜来对准光线（这是其他方法中常见的问题），所以他们可以拍摄出非常清晰的图像（约13微米，比人类的头发还要细）。
- 超高速： 他们还可以精确地测出光到达的时间，精度达5皮秒（那是5万亿分之一秒）。这就像拥有一台可以冻结子弹并在空中告诉你它经过了哪一毫秒的相机。
4. 他们实际展示的内容
这篇论文不仅讨论理论，还实际拍摄了照片：
- 他们拍摄了一张测试图谱（类似于用于测试相机质量的分辨率图表）的清晰图像。
- 他们拍摄了一片硅晶圆（计算机芯片材料的切片）的照片，该晶圆上蚀刻有大学标志，展示了他们能够观察芯片上的缺陷或图案。
- 他们证明了即使在光线减少到极限——即一次只有一个光子时，他们依然能看到图像。
总结
可以将这个系统想象成一个由标准硅部件构建的超灵敏夜视相机。通过使用一个“安静的巨人”来帮助微小的、不可见的粒子跨越障碍，研究人员创造了一种能够以高速度、高细节捕捉单光子红外光的相机，且不会产生通常会破坏此类敏感图像的静电噪声。
论文中提到的潜在用途：
- 观察非常微弱的生物样本（荧光寿命显微成像）。
- 使用光行进时间进行3D成像（光子计数飞行时间技术）。
- 在不损坏芯片的情况下检查计算机芯片的缺陷。
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