中红外波段包含了许多重要分子的振转能级跃迁谱线，位于分子特征指纹光谱区，还涵盖了地球大气的多个透明窗口。一直以来，超灵敏中红外探测与成像都是国际研究热点与学术前沿，对于促进极低照度下红外光子测控的广泛应用具有积极意义。然而，现有中红焦平面阵列即便在低温制冷条件下灵敏度也仅为亚纳瓦量级，相应的等效噪声功率为10¹⁰光子/秒，远无法实现单光子水平的超灵敏探测。因此，实现室温条件下逼近单光子水平的超灵敏中红外成像仍颇具挑战。

近年来，单像素成像作为新型计算成像技术方兴未艾，其利用无空间分辨的单点探测器即可获取物体图像信息，为缺乏成熟多像素阵列型探测器的非可见光波段提供了具有吸引力的成像解决方案。然而，单光子水平的单像素成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素为在其他波段仍缺乏高性能单光子探测手段。此外，缺乏高分辨动态空间调制器件是另一个关键难题，尤其对于长波光场，显著的衍射效应不可避免会降低空间调控精度与准确度。为此，曾和平教授团队发展了基于非线性结构探测的中红外单像素成像新技术，如图1（a）所示，其利用时-空域精密控制的泵浦光场调控，在非线性光学晶体中同时实现红外信号光场的空间编码与频率转换，借助硅基单点探测器即可获得高灵敏、高分辨的中红外成像。

该项工作所发展的非线性结构探测技术充分发挥了上转换探测与单像素成像的各自优势，不仅突破了传统空间调制器件的工作波长限制，解决了中远红外波段高保真空间调控的难题，而且规避了室温下红外波段探测灵敏度受限的技术瓶颈，实现了逼近量子极限的中红外单光子测控性能。研究表明，所搭建的中红外单像素成像系统可在0.5光子/脉冲极低照度下依然实现高对比的成像质量。此外，研究人员结合压缩感知与机器学习算法，如图1（b）所示，在1光子/脉冲的极低光通量下，当采样压缩比为25%时，依然获得了高信噪比的超灵敏中红外成像。该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位于近日发表在Nature Communications 14, 1073 (2023)。

图1: （a）基于非线性结构探测的中红外单像素成像装置示意图。（b）光子稀疏场景下中红外单像素压缩感知成像结果。