人眼能捕捉到波長在400納米到700納米之間的光子——在藍光和紅光對應的波長之間，因此這個波段的光被定義為“可見光”。但這只是電磁波譜的一小部分，400納米以下還有紫外線，700納米以上有紅外輻射，紅外輻射又分為近紅外、中紅外和遠紅外……在電磁波譜的每一個部分中，都有大量編碼為“顏色”的信息，直到現(xiàn)在都還隱藏在暗處，等待人們?nèi)グl(fā)掘。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組 光譜中的“顏色”是非常重要的信息，很多分子都有其特征“顏色”（如分子振動、轉(zhuǎn)動等）。例如，癌癥細胞含有高濃度的具有特定“顏色”的分子，這些分子在紅外區(qū)很容易被檢測到，因此醫(yī)學上可以通過紅外相機對癌癥進行診斷。但是目前的紅外探測技術成本高昂，且成像效果有待提高。 最近，以色列特拉維夫大學的Haim Suchowski團隊【拓展鏈接】開發(fā)了一種低成本、高效率的成像技術, 這項技術可以將整個中紅外區(qū)域的光子轉(zhuǎn)換到可見區(qū)域，進而可用于自然界中存在的、普通照相機或肉眼“看不見”的生物成像。

圖1 本文所述技術使得普通相機能夠“看到”不可見的物體圖源：Tel Aviv University 相關研究成果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews，標題為“Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion”。 Suchowski教授表示：“如果人類能看到紅外光，我們將會看到像氫、碳和鈉等元素都有自己獨特的顏色。因此，通過對紅外光的探測，環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星可以“看到”工廠排放的污染物，間諜衛(wèi)星可以“看到”爆炸物或鈾的存放之處；此外，由于每個物體都以紅外線發(fā)出熱量，因此這些信息即使在黑暗中也能被看到。” 由于大部分有機化合物的特征振動峰都位于紅外(IR)波段，因此，光譜分辨的紅外成像是遠程化學鑒定中當之無愧的核心技術，在化學、生物、礦物學、環(huán)境科學等領域均有著巨大的應用價值。 通過非線性晶體將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，再借助廉價、高性能硅檢測器進行檢測，即可實現(xiàn)非線性上轉(zhuǎn)換成像。相比于廣泛使用但造價高昂、響應速度慢、空間分辨率低、靈敏度差且需要額外制冷的熱傳感成像技術而言，這種上轉(zhuǎn)換成像技術具有很大的優(yōu)勢。然而，非線性光學的相位匹配問題嚴重限制了上轉(zhuǎn)換技術的頻譜帶寬，往往需要復雜的串行采集才能覆蓋較寬的頻譜。 本文提出了一種基于絕熱頻率轉(zhuǎn)換的中紅外上轉(zhuǎn)換成像方案，采用低成本、高靈敏度的可見CMOS傳感器實現(xiàn)了中紅外多色成像，輻射波段范圍從2微米到4微米，全程無需調(diào)整轉(zhuǎn)換晶體的相位匹配條件。

圖2多光譜物體中紅外成像 (a)目前應用最廣泛的熱成像，所得到的圖像是在光譜帶寬上集成的，因此缺乏顏色區(qū)分； (b)基于絕熱頻率轉(zhuǎn)換的上轉(zhuǎn)換成像，可同時對多個紅外波長成像，且成本低、靈敏度高、速度快。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.1

絕熱頻率轉(zhuǎn)換成像

本工作中，研究人員設計了絕熱和頻轉(zhuǎn)換晶體(ASFG)，可以消除激發(fā)光（1030 nm）與中紅外信號（2~4微米）之間的相位不匹配。將此晶體用于如圖3所示的成像系統(tǒng)中，即可將2~4微米的波長轉(zhuǎn)換到690~820納米之間，實現(xiàn)超寬譜帶范圍的上轉(zhuǎn)換成像。整個裝置采用波長為1030 nm，重復速率為2MHz的超快脈沖激光作為激發(fā)源，通過可調(diào)諧光參量發(fā)生器激發(fā)紅外發(fā)光以及絕熱和頻轉(zhuǎn)換過程。

圖3. (a)基于絕熱和頻轉(zhuǎn)換(ASFG)的上轉(zhuǎn)換成像裝置示意圖； (b)上轉(zhuǎn)換成像結(jié)果展示： 從左到右原始發(fā)光波長分別為2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm， 上轉(zhuǎn)換后波長在700 nm, 790 nm和810 nm。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.2

超快時間成像能力

為了展示上轉(zhuǎn)換成像技術的超快時間成像能力，作者將2微米和4微米兩個波長的紅外光信號分別通過5毫米厚的硅窗口；由于色散作用，兩個波長的信號會發(fā)生時間上的分離，進而可以用短脈沖1030 nm泵浦激光(~800 fs)進行時間區(qū)分（如圖4所示）。

圖4上轉(zhuǎn)換成像的時間分辨能力展示： 縱軸表示時間，橫軸表示轉(zhuǎn)換后的波長； 可見此技術具有超快的時間區(qū)分能力。圖源：Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040，F(xiàn)ig.3

高分辨率

最后，研究人員借助1951 USAF標準卡片說明了上述成像系統(tǒng)的高分辨率。如圖5所示，該系統(tǒng)在2微米波長處的分辨率可達28.51 (line pairs/mm)，符合理論可實現(xiàn)的分辨率。相比之下，4微米處的分辨率差一些，主要是由于受到ASFG晶體接受孔徑的限制。

圖5絕熱上轉(zhuǎn)換相機在2微米，3微米，4微米波長處的分辨率測試， 從上到下三行分別對應1951 USAF標準卡片中的不同分辨率。圖源：Nature, 2020, 585, 211–216，F(xiàn)ig.4

總結(jié)

本文提出了利用絕熱轉(zhuǎn)換方案進行上轉(zhuǎn)換成像的設計思路，能夠在單次拍攝過程中將2~4微米波段的中紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見光-近紅外圖像。 由于絕熱方法固有的寬頻帶和高效率等特點，該技術比目前廣泛使用的具有相位匹配局限的非線性上轉(zhuǎn)換成像方法性能更好，為未來新型材料的高分辨、超快速中紅外遙感和時空間表征鋪平了道路。

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