Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
本文展示了利用 AgGaS₂ 晶体中的非共线相位匹配技术，通过探测未探测光子的量子成像技术实现宽视场中长波红外（6–10 µm）成像，实现了无背景噪声、室温运行，且其分辨率和采集时间显著优于传统探测器。
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以红外光观察世界揭示了一个隐藏的现实层面，在这个层面中，活细胞的热量或分子的化学特征变得清晰可见。这一光谱部分是科学家手中的强大工具，提供了一种通过独特的“指纹”识别材料的方法，而无需使用染料或标记物对其进行标记。然而，捕捉这些图像长期以来一直是一项艰巨的任务。红外光受环境自身热辐射的影响极大；在室温下，所有物体都会辐射出背景噪声，从而淹没微弱的信号。为了看清图像，传统相机通常需要昂贵的专用传感器，且必须冷却至深低温，即便如此，该过程仍然缓慢，并受到这种压倒性背景热量的限制。
一种不同的方法已经出现，它依赖于一种被称为量子干涉的奇特光属性。这种方法并非试图探测从物体上反射回来的红外光子，而是仅将它们作为信使。该技术涉及将一束光分成两对相互关联的部分：一部分在可见光谱范围内传播（即人类眼睛和标准相机可以看见的光），另一部分则在红外范围内传播。这两束光同时产生并保持着某种联系，使得它们彼此无法区分。如果红外光束与物体发生相互作用，它会改变其可见伴随光的行为，尽管可见光束从未接触过该物体。通过测量可见光，科学家可以重建出不可见的红外光所遭遇的图像，从而有效地绕过了直接探测红外光子的需求。这意味着该图像不受通常困扰红外相机的热噪声影响。
伦敦帝国理工学院的研究人员现在已经将这一概念进行了显著扩展，展示了一种在包括中波到长波红外范围（具体在6到10微米之间）内创建宽场图像的方法。这是一个至关重要的区域，涵盖了许多重要化学键吸收光的波长。在实验中，团队使用一种由硫银盐制成的晶体来产生这些关联的光对。他们布置了实验装置，使被称为“闲置”（idler）的红外光束穿过样本，而可见的“信号”（signal）光束则被导向一个标准的硅基相机。由于红外光从未被相机探测，该系统避开了通常限制此类测量的背景噪声。研究人员发现，这种方法能够探测到比在室温下运行的最佳标准红外探测器所能达到的水平至少还要微弱一百倍的红外光。
该团队在图像中实现了极高的细节水平，在视野范围内分辨出超过8,000个不同的点。在8微米的波长下，他们能够分辨出小至297微米的特征。为了测试该系统，他们在红外光束路径中放置了带有特定图案的金属掩模。相机仅观察可见光，便成功重建了这些掩模的形状，清晰地展现了孔洞和实心区域。研究人员表明，只需通过调整晶体的角度和用于泵浦它的激光颜色，就可以轻松地将系统调节为在6到10微米范围内的不同波长进行成像。这种灵活性意味着该方法可以被改编，以针对各种材料中的特定化学特征。
速度是他们成功的另一个关键因素。团队演示了两种处理数据的方法。第一种方法涉及在缓慢移动光相位时拍摄一系列图像，每帧耗时约十秒，并能产生高质量图像。第二种方法使用单次快照来重建图像，将整个图像的采集时间缩短至仅十秒，尽管在图像质量上略有折衷。这种速度相比于传统的红外光谱法有了戏剧性的提升，后者产生类似图像可能需要数小时。结果表明，无需冷却探测器或复杂设备，即可进行快速、清晰且具有光谱选择性的红外成像。这一进展为生物学和化学领域开辟了新的应用前景，在这些领域中，能够快速且无背景噪声地观察分子结构，将改变科学家分析样本的方式。
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