超灵敏红外探测在基础科学研究与前沿创新应用方面都发挥着重要作用，如量子光学、激光测距、光学通信、环境监测和生物医学等。近年来，非线性频率上转换技术得到迅速发展，并成为红外探测的有效手段之一，能够利用高效率、高灵敏、高速度的硅基探测器实现红外波段信号的探测，从而显著提升红外探测与成像的性能。

通常，频率上转换探测技术可以大致分为两类：一类是基于对红外光场的非线性频率变换，如通过非线性和频或四波混频效应，将红外光子转换到可见光波段；另一类是基于探测器自身材料的非线性效应，通过双光子或者多光子吸收过程，实现载流子的有效激发，从而产生可探测的光电流。相对而言，后者无需相位匹配，使得光路调节简便，且能实现宽带光谱的响应。特别地，非简并双光子吸收红外探测技术采用强泵浦光场作为辅助，使得红外信号在极其微弱的情况下仍能获得显著的双光子吸收，从而大幅提升探测效率。此外，有关研究表明，波长非简并的泵浦和信号光场相互作用，能够数量级地提升双光子吸收系数。

曾和平教授课题组长期从事红外光子测控方面的研究工作，近期深入发展了长波泵浦的双光子吸收红外探测技术，将探测灵敏度较此前报道提高了1-2个量级。具体而言，团队创新性采用3μm 中波红外激光作为泵浦光场，能够克服传统方案下泵浦光在硅探测器中的严重的双光子背景噪声，从而大幅提升探测信噪比和动态范围。为远程测距、生物成像和灵敏光谱等重要应用提供支撑。

目前，该团队为了进一步压制三光子吸收引致的背景噪声，拟采用更长波长的泵浦光场，旨在将探测灵敏度推进至单光子水平。此外，该项技术也将被直接应用于后续的超灵敏红外成像研究中，通过采用硅电子倍增CCD相机，有望兼具可室温运行、宽光谱响应、高速度帧频、高时空分辨等优越性能。

该项工作得到了武愕研究员的通力合作，发表于Physical Review Applied 14, 064035 (2020)。

图. (a)间接带隙硅探测器的能级图，其中给出了1030  nm的直接吸收（LA）、1550nm的双光子吸收（D2PA）、3070nm的简并三光子吸收（D3PA），以及1550 和3070nm的非简并双光子吸收（ND2PA） 。(b)光子计数率随入射脉冲能量的变化。可以看出，相同泵浦功率下，三光子过程引致的背景噪声比双光子过程小大致5-6个量级。