激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点，广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产等诸多领域。特别地，中红外波段位于分子指纹光谱区，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像、以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，实现高灵敏中红外三维成像都是该领域的研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。

当前，单光子三维成像主要局限在可见光/近红外波段，核心制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件制备工艺精进与新型材料涌现，中红外探测与成像性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。通常，中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。

为此，曾和平教授团队发展了基于高精度非线性光学取样的红外光场上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体来说，研究人员采用课题组此前发展的红外上转换广角成像技术，通过设计啁啾极化非线性介质，有效拓展高效频率转换的接收角度范围，单次曝光即可获得大视场图像采集。为了获取成像场景的深度信息，实验采用超短光学脉冲同步泵浦方案，通过构建光学符合门控来完成红外回返光子的时间标记，获得飞秒级别的高精度时间分辨。同时，得益于同步脉冲泵浦技术与高效光谱滤波，可以有效压制背景噪声，实现了单光子水平的中红外大视场三维成像。进一步结合时空关联增强去噪算法，能够实现微弱中红外信号的有效甄别与提取，在1:10000的极低信噪比下，依然可以重构出高对比度的中红外三维图像。

所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为光敏材料痕量检测、材料无损探伤、无光毒生医样品长时观测等创新应用提供有力支撑。

该项工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的支持，发表于Light: Science & Applications 12, 144 (2023)。

图1:(a) 中红外单光子三维成像系统装置示意图；(b) 中红外三维立体成像效果，系统接收信号能量低至0.05光子/秒/像素。