近日，重庆脑与智能科学中心神经光子学研究团队联合华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室科研团队在“Laser & Photonics Reviews”上发表题为“Mid-Infrared Single-Photon Computational Temporal Ghost Imaging”的研究论文。

高分辨与高灵敏的中红外时域探测与分析技术是解析超快动态过程与实现精密测量的重要手段，在生物医学成像、脑组织检测、神经科学、脑机接口等领域都有着广泛应用。然而，传统中红外探测器件在灵敏度、响应速度和工作温度方面不足，难以满足需求。时域鬼成像技术多在可见光/近红外波段，中红外波段缺乏高带宽、高灵敏探测器件及高速率、高保真调制技术，单光子水平成像未实现。亟需发展室温下高时间分辨率与高灵敏度的红外测控新方法及高灵敏光子探测与高精度时域编码技术。

为此，研究团队提出基于非线性波长变换的中红外时域鬼成像技术，利用非线性光学过程突破中红外高精度调制与高灵敏探测难题，通过低带宽硅基探测器实现高速波形精确捕捉，完成高精度单光子波形重构。团队用通信波段强度调制器对近红外光进行时域编码预调制，经频率下转换将编码信息转移至中红外波段，达到80 ps时域结构编码分辨率（分析带宽12.5 GHz），远超现有探测器。中红外信号经目标调制后由低带宽探测器采集强度积分，结合哈达玛编码序列及关联运算恢复时域目标信息，实现中红外时域计算鬼成像。

该团队采用外腔泵浦增强的频率上转换探测技术，将中红外时域调制信号高效低噪地转换至可见光波段，利用高性能硅基单光子探测器。实验中，中红外编码脉冲光强衰减至0.1光子/比特，通过单光子探测器累积光子数，仍可精确重构高信噪比的中红外目标时域波形，实现单光子照度下的计算时域鬼成像。该技术突破了传统单光子探测的时间分辨精度，结合压缩感知算法，可将数据采集时间压缩90%以上，显著提升弱光场景下的分析效率。

该研究通过非线性波长变换与计算时域鬼成像的结合，首次实现了单光子灵敏度的中红外时域高速波形重构，突破传统探测器带宽与时间抖动的限制，为常温下脑成像、脑组织检测等研究提供了新方法。未来，该中红外单光子时域分析系统可借助高速近红外调制器件和超短脉冲调控技术，实现飞秒量级超高时域分辨精度，为中红外及更长波段单光子波形表征提供有力支撑。