中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖了地球大气多个透射窗口，实现超灵敏中红外探测在天文、材料、医学、航天等领域都有重要应用。由于中红外光子能量较小，硅基探测器对其无法直接响应，通常需要采用带隙更小的碲镉汞、锑化铟等半导体材料。然而，所制备的红外探测与成像器件存在较为严重的暗电流与热噪声，一般需要低温制冷提升探测灵敏度。长期以来，实现单光子水平的中红外成像是红外测控领域极具挑战的前沿热点。

近年来，频率上转换探测技术的发展为实现灵敏中红外光子测控提供一条可行之道。该技术采用高效非线性过程将红外光子转换至可见光波段，从而能够利用性能卓越的硅基器件，巧妙规避了当前中红外器件灵敏度不足的瓶颈。然而，红外光场的高效转换依赖于严格的相位匹配过程，使得上转换系统对入射信号的接收角过小，极大限制了其在材料检测、生物组织成像、医学诊断等领域的应用现存方案一般依靠调节相位匹配参数来拓宽视场，需要后期拼接以配准图像空间信息，致使图像采集耗时长，后处理过程复杂。为此，曾和平教授及黄坤研究员团队创新提出上转换广角成像新方法，采用啁啾极化结构铌酸锂晶体满足不同入射角度中红外信号的准相位匹配反转周期，通过单次采集即可获得中红外宽视场的成像结果，将信号接收角提升了至少一个量级。同时，该系统结合同步脉冲泵浦技术与窄带高效滤波技术有效压制背景噪声，利用硅基EMCCD实现了1光子/脉冲极低照度下的中红外成像。此外，采用高性能硅基CMOS相机，研究人员展示了超高帧频的中红外成像，相机曝光时间低至微秒量级，成像速率达到了216 000帧/秒，相比于现有中红外相机提高了2-3个量级。

值得一提的是，该中红外成像系统能够在室温条件下工作，且成像视场对温度变化不敏感，有助于其在实际应用中的稳定运行；通过优化非线性晶体的极化周期排布和三维物理尺寸，可以获得成像视场的进一步提升；结合波长可调谐的中红外光源，还能实现超灵敏中红外高光谱成像。该研究提出的新方法将在分子光谱、天文观测、环境遥感及生物医疗等领域具有重要的应用价值。

相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委与华东师范大学的共同资助与支持，发表于Nature Communications  13, 1077 (2022).

图 (a).  大视场中红外单光子成像系统装置图   (b). 上转换广角成像技术原理图，啁啾极化结构铌酸锂晶体实现不同入射角度中红外信号的自适应准相位匹配   (c).  利用中红外上转换成像系统扫描校园卡内部结构，内嵌的芯片与线圈清晰可见