全光图像边缘检测技术具有超快并行响应和多维信息解耦能力，能够实时提取高通量样品的轮廓、相位与偏振等特征。相较于传统一阶边缘增强，高阶空间微分技术具有进一步抑制低频背景、提高边缘对比度和可视化相位物体的优势。特别地，中红外波段包含丰富的分子振转吸收峰，且涵盖多个大气透射窗口，将高阶全光边缘检测技术拓展至该波段，有望为无标记化学传感、生物医学诊断及热红外遥感成像等领域开辟全新的应用场景。

   然而，中红外高阶边缘增强成像面临着高灵敏探测与高精度调控方面的挑战。热背景辐射的干扰叠加中红外探测器的性能瓶颈，使得室温条件下高灵敏度、低噪声的信号检测颇具挑战。此外，常见光学材料面临可调性有限且中红外响应不足的难题，严重制约了高阶微分所需的高保真空间频率调控能力。同时，长波衍射效应约束了光场调制器的调制精度与波长拓展性。因此，开发高灵敏、可调谐的中红外高阶微分器已成为亟待突破的技术需求。

   为此，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授与黄坤教授研究团队发展了非线性拓扑微分的中红外上转换边缘成像技术，实现了高灵敏、任意阶数、实时切换的中红外空间微分操作。具体而言，研究人员利用空间光调制器将泵浦结构化整形成拓扑微分器，并通过非线性参量相互作用将泵浦复振幅以全光方式叠加到中红外信号的傅里叶频谱上，从而实现各向同性的高阶边缘增强成像。通过切换调制器加载的涡旋滤波器相位图案，可实现微分阶数的实时动态切换。得益于低噪声的上转换过程以及单光子灵敏度的硅基相机，该系统在低光照下也能获得高对比度的边缘成像。

   在应用探究中，研究人员设计了两类场景，以表征中红外高阶微分器在低频背景抑制与纯相位物体可视化方面的性能优势。其一，针对表面涂覆紫外固化胶的蝴蝶图案掩膜，随着微分阶数的提升，胶层背景引入的复振幅扰动被逐步抑制，蝴蝶结构的边缘轮廓持续锐化和凸显。其二，利用样品对中红外的吸收特性观察可见光下难以识别的透明相位物体，并基于高阶微分对高频细节的和弱相位梯度信息的放大效应，恢复在明场成像及低阶微分下被掩盖的精细边缘信息，实现纯相位物体的可视化。

   综上，研究团队提出并验证了基于拓扑微分泵浦调制的高阶上转换边缘成像方案，构建了高灵敏、任意阶次且实时切换的中红外空间微分系统，能够实现精确的特征定位和有效的背景抑制。该方案为中红外计算成像与光学模拟运算提供了兼具通用性与可扩展性的技术平台。结合宽光谱覆盖、精准边缘分辨能力与高阶微分技术的协同优势，所构建的中红外空间微分成像系统可为工业无损检测、无标记化学分析等领域提供有力工具。

   相关成果发表在Laser & Photonics Reviews，得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师大的共同资助。

图 (a) 中红外高阶非线性微分成像概念图; (b-e) 可见光下透明的相位物体在中红外边缘增强成像下的可视化表征。

论文原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202502431