Wide-field mid-infrared single-photon upconversion imaging
本文介绍了一种利用非周期准相位匹配配置的宽视场中红外单光子上转换成像系统，该系统实现了显著扩展至 30° 的视场，从而能够在室温下实现 216 kHz 的高速快照成像以及具有单光子灵敏度的高分辨率 3D 飞行时间测量能力。
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，你正试图拍摄一个在黑暗中发光的物体，但你的相机只能看到可见光（比如灯光），而该物体发出的光是“不可见”的红外光。
长期以来，科学家们使用了一个聪明的技巧来解决这个问题：他们使用一种特殊的晶体作为“翻译官”。这种晶体可以将不可见的红外光瞬间转换为标准硅基相机（如手机中的相机）可以看见的可见光。这被称为频率上转换。
然而，这个技巧存在一个重大问题。这种晶体非常“挑剔”。它只能翻译来自极窄角度的光，就像通过一根细小的吸管观察一样。如果物体太宽或者光线从侧面射入，晶体就会拒绝进行转换。为了看到完整的图像，科学家必须缓慢地扫描物体或晶体，拍摄许多小快照并将它们像拼图一样拼接起来。这既缓慢又复杂。
重大突破
在这篇论文中，研究人员构建了一种新型的“翻译”晶体，它不再那么挑剔。他们使用了一种特殊的晶体，其内部结构从一端到另一端逐渐变化（就像坡道或阶梯一样）。这使得晶体能够同时接收来自非常广泛角度的光。
以下是他们如何实现的，使用了简单的类比：
1. “啁啾”晶体（可调节的坡道）
把传统的晶体想象成一个单一的、平坦的坡道。球（光）只有在以特定的角度进入时才能沿着它向上滚动。如果从侧面进入，球就会掉下去。
新的晶体就像是一个长长的、弯曲的坡道，其坡度随着你的移动而变化。无论球从什么角度进入，在坡道上的某个特定位置，其坡度都会完美匹配，从而让球平稳地向上滚动。这意味着相机的视野现在可以变得非常广阔——单次拍摄即可达到约 30 度。这比旧方法宽了十倍以上。你不再需要扫描或拼接图像，只需按下快门即可。
2. 用“超敏眼睛”看见不可见
研究人员还展示了该系统具有极高的灵敏度。他们成功实现了在几乎没有光的情况下进行拍摄——仅使用一个脉冲中的一个光子（单个光粒子）。
这是如何做到的？想象一下在嘈ably的房间里听微弱的低语。
- 噪声： 通常，光转换的过程会产生大量的背景“静电”或噪声。
- 过滤器： 研究人员使用了一个“光谱-时间滤波器”。把它想象成一个非常严格的夜店保安。保安只允许穿着特定颜色衬衫（波长）且在特定瞬间（脉冲定时）到达的人进入。其他所有人都会被踢出去。
- 结果： 由于背景噪声被有效地排除在外，相机即使在室温下无需昂贵的制冷设备，也能清晰地检测到那一声微弱的低语（光子）。
3. “超高速快门”（高速视频）
由于该系统效率极高且相机速度极快，他们可以捕捉到普通红外相机无法实现的拍摄速度。
- 他们拍摄了一个以 31 米/秒（约 70 英里/小时）速度旋转的物体。
- 他们以 216,000 帧/秒 的速度进行捕捉。
- 为了直观理解：普通的视频是 30 帧/秒。这个系统如此之快，甚至可以“冻结时间”，去拍摄一颗子弹或一次化学反应。
4. “3D 时间机器”
最后，他们增加了一个可以观察深度的功能。因为他们准确知道光脉冲是在何时发送以及何时返回，所以他们可以扮演时间机器的角色。
- 想象一下用手电筒照射一面带有镜子的墙。光线撞击墙壁，然后撞击镜子，最后返回。
- 该系统足够快，能够区分“第一次反弹”（墙壁）和“第二次反弹”（镜子），因为它们到达的时间略有不同。
- 通过只选择在特定时间到达的光，他们可以构建物体的 3D 图像，从而区分前部和后部。
他们实际声称的内容
论文证明了这种新系统可以：
- 单次拍摄即可获取宽角度的红外光图像（无需扫描）。
- 检测单光子（极高的灵敏度）。
- 以高达 216,000 帧/秒的速度记录视频。
- 通过测量光线反射回来的时间来创建 3D 图像。
作者指出，这些特性可以立即应用于：
- 检查材料缺陷而不破坏它们（例如观察芯片内部）。
- 生物医学检查（体内检查）。
- 物体 3D 扫描（体积断层扫描）。
简而言之，他们将一个缓慢、狭窄、挑剔的红外相机，变成了一个快速、广角、超灵敏且具备 3D 能力的相机，而这一切都是利用标准的硅基相机实现的。
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