单光子激光测距技术在远距离成像、空间碎片跟踪以及长程遥感等领域展现出广阔的应用前景。 长期以来，该技术主要局限在可见或近红外波段。中红外波段涵盖了大气多个透射窗口，位于众多分子的指纹光谱区，且比近红外或可见光具有更强的穿透能力。鉴于上述优势，将单光子测距技术拓展至中红外波段已成为该领域的研究前沿。然而，现有中红外探测器在室温下暗噪声较大，且探测带宽受限，无法实现超灵敏与高分辨的距离测量。因此，亟待发展高灵敏、高分辨的红外光子测控技术，以满足高性能中红外测距的迫切需求。

非线性上转换探测有望提供解决方案，通过非线性和频过程将中红外光场上转换至可见或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器完成对信号的灵敏与精确捕获。当前，在连续光泵浦的上转换测距方案中，轴向分辨率受限于探测器的时间抖动，通常在亚厘米量级。尽管同步脉冲泵浦的上转换测距方案可以消除探测器时间抖动的限制，可将轴向分辨率提升至微米水平，但其采用机械扫描作为光延迟手段，难以满足大范围、高速率的测量需求。

近年来，双光梳测距技术以其高精度和大量程的优势在测距领域得到了广泛应用。该技术采用两个具有高相干性的光梳拍频产生干涉信号实现距离测量。目前，该技术主要应用于近红外波段，将其拓展到中红外面临着光源制备困难、探测器灵敏度受限、数据处理复杂等诸多挑战，在中红外距离测量中的应用仍待进一步探索。

为此，曾和平教授和黄坤研究员团队设计并搭建了一种高分辨中红外上转换单光子测距系统。具体来说，携带距离信息的中红外脉冲在非线性晶体中被重频与之有微小差异的近红外脉冲采样，并转换至可见光波段。该过程可以实现1 kHz的刷新率和约50 ns的扫描范围，并将互相关轨迹在时域上拉伸了2×104倍，利用低带宽硅基单光子探测器即可实现对中红外信号的高灵敏与高精度探测。结合时间相关单光子计数技术，可以获得比探测器自身时间抖动低2个量级的测距分辨率，在8×10-5photons/pulse的极低照度下，实现了4 μm的测距精度。所搭建的中红外飞行时间测距系统，具有单光子灵敏度、高测距分辨率和大动态范围的优势，有望应用于弱光下的红外传感和成像领域。

未来，可以使用更短泵浦脉冲以提高测距分辨率，同时适当增加双色激光器的重复频率和重频差，获得更高刷新率和更精细的扫描步长。此外，所提出的方法可扩展到长波红外或太赫兹波段，以满足高灵敏和高分辨的距离或深度测量需求，为光子测绘、自动驾驶、红外遥感等领域提供支撑。

相关工作得到科技部、基金委、上海市、重庆市和华东师大的共同支持，成果于近日发表在Photonics Research 12, 1294 (2024)。

论文链接：

https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-6-1294&id=551298

图 (a) 异步上转换采样中红外测距基本概念图; (b) 中红外上转换信号直方图; (c) 单光子探测器自身时间抖动；(d) 探测端能量在8×10-5photons/pulse下测量的艾伦偏差; (e) 信噪比随探测端光子数变化情况。