华东师范大学曾和平、黄坤团队：宽带中红外双光子时域鬼成像新方案 | Photonics Research

Photonics Research 2026年第5期推荐论文：

Ziyu He, Kun Huang, Huijie Ma, Wen Zhang, Jianan Fang, Heping Zeng, "Mid-infrared temporal ghost imaging via two-photon structured encoding," Photonics Res. 14, 1919 (2026)

近日，华东师范大学曾和平教授、黄坤教授团队在中红外测控领域取得进展，提出并实现了一种基于非简并双光子吸收（Non-degenerate Two-Photon Absorption）的宽带中红外时域鬼成像新方案。该技术利用硅探测器即可实现中红外信号的同步调制与探测，在无需复杂非线性晶体和严格相位匹配条件的情况下，实现了宽光谱、高灵敏、高时间分辨率的中红外时域波形重构，为高速自由空间通信、超快光谱分析和弱光探测等领域提供了新的技术途径。相关成果以“Mid-infrared temporal ghost imaging via two-photon structured encoding”为题发表于Photonics Research 2026年第5期。华东师范大学为第一完成单位，硕士研究生何紫瑜为第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通信作者。

从“看不清”到“看得快”：中红外时域测量面临的挑战

中红外波段（2~20 μm）被称为分子的“指纹区”，蕴含丰富的分子振动和化学结构信息，在环境监测、生物医学诊断、精密光谱分析和自由空间通信等领域具有重要应用价值。然而，要准确测量快速变化的中红外信号并不容易。一方面，中红外探测器普遍存在噪声较高、响应速度较慢的问题；另一方面，许多超快过程的变化速度远远超过电子学探测器的带宽极限，使得信号细节难以被直接捕获。

近年来兴起的“时域鬼成像”技术为解决这一问题提供了新思路。它通过预先设计的编码序列和计算重构算法，利用低速探测器恢复高速时间信号，从而突破传统电子学带宽限制。然而，将这一技术扩展到中红外波段仍面临高速调制器匮乏、探测灵敏度不足以及系统复杂度高等挑战。

把调制与探测“装进同一个探测器”

针对上述难题，研究团队提出了一种全新的中红外时域鬼成像架构（图1）。与传统方案依赖非线性晶体实现频率转换不同，新方法利用近红外泵浦光与中红外信号在硅探测器中的时空重合，通过非简并双光子吸收过程直接产生电学响应。简单来说，两束不同波长的光在探测器内部协同作用，只有同时到达时才能触发探测信号。

图1 (a) 中红外双光子时域鬼成像概念图；(b) 实验装置图

这一机制具有两个重要优势：1）调制与探测同步完成。近红外光携带的结构化编码信息可直接传递给中红外信号，同时转化为可读出的电学信号，无需额外转换环节；2）摆脱相位匹配限制。非线性过程直接发生在探测器内部，无需复杂晶体和精密光路调节，大幅降低系统复杂度。因此，整个系统更加紧凑、稳定，并具备室温工作和宽波段兼容等特点。

超越探测器带宽40倍，实现弱光条件下高保真重构

实验结果表明，该系统在多个关键指标上展现出优异性能（图2）。首先，在探测器带宽仅为100 kHz的条件下，研究团队成功重构了时间分辨率达到0.25 μs的中红外时域信号，实现了超过探测器本征带宽40倍以上的超带宽测量能力。其次，结合压缩感知算法后，仅利用20%的采样数据便可实现高质量重构，大幅减少数据采集时间，提高测量效率。更重要的是，在极弱光条件下，该系统仍可实现高保真测量；其中红外探测灵敏度达到0.05 pJ/pulse，展现出优异的弱光探测能力，为光子受限环境下的中红外测量提供了新的解决方案。

图2 中红外双光子时域鬼成像及压缩感知成像。(a–d) 时间分辨率分别为10 μs、1 μs、0.5 μs、0.25 μs时，对16 bit时域目标实现双光子时域鬼成像；(e) 采样率在80%和20%下的双光子时域鬼成像

此外，研究团队还在2.5~3.8 μm波段内多个代表性波长上完成了时域信号重构实验（图3）。在整个波长切换过程中，系统无需重新进行复杂光路调整，均能够获得稳定准确的测量结果，充分验证了该方案优异的宽谱适应能力。

图3 多波长中红外双光子时域鬼成像

为下一代中红外信息获取技术提供新方案

该研究首次将非简并双光子吸收与时域鬼成像深度结合，实现了中红外信号的调制、探测与重构一体化。相较于传统基于非线性晶体的中红外时域鬼成像方案，新方法结构更简单、波段更宽，并具有良好的集成化潜力。

未来，随着高速电光调制器、更高效率双光子探测器以及智能重构算法的发展，该技术有望进一步提升时间分辨率和探测灵敏度，拓展至高速自由空间通信、超快分子动力学研究、宽带红外光谱分析以及新一代弱光探测系统等重要领域，为中红外信息获取与测控技术的发展提供新的解决思路。

近期，研究团队在中红外非线性测控与成像方面取得若干进展，实现了亚像素时域鬼成像[Laser Photon. Rev. 20, 2502587 (2026)]、去模糊计算成像[Photonics Res. 14, 1425 (2026)]、单像素光谱成像[Laser Photon. Rev. 20, e01321 (2026)]、大视场边缘成像[ACS Photonics 13, 991 (2026)] 以及高阶边缘成像[Laser Photon. Rev. 20, e02431 (2026)]等等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师范大学的共同资助。

推荐阅读：

[1].Min Peng, Kun Huang, Ruiyang Qin, Jianan Fang, Heping Zeng, "Mid-infrared motion deblurring via nonlinear structured gating," Photonics Res. 14, 1425 (2026)

[2].Jiaqi Song, Baolei Liu, Yao Wang, Chaohao Chen, Xuchen Shan, Xiaolan Zhong, Ling-An Wu, Fan Wang, "Computational and dark-field ghost imaging with ultraviolet light," Photonics Res. 12, 226 (2024)