天津大学：研究人员利用超导纳米线单光子探测器将非视距成像技术扩展到近红外和中红外波长

非视距成像可以探测到即使在墙后面的物体。现在，研究人员已经将这种方法从可见光波段扩展到了近红外和中红外波段。资料来源：天津大学，胡小龙

用于非视线成像的新兴技术可以探测到即使在拐角处或墙后面的物体。在新的研究工作中，研究人员使用一种新型探测器将这种方法从可见光扩展到近红外和中红外波段，这一进步可能对无人驾驶车辆、机器人视觉、内窥镜检查和其他应用特别有用。

天津大学的胡小龙说：红外非视距成像技术可以帮助无人车探测和绕过无法直接看到的障碍物，从而提高无人车的安全性和效率。他的团队与同样来自天津大学的杨敬钰领导的小组进行了合作。使用近红外波长还有助于减少对眼睛安全的担忧，降低背景噪声，从而有可能在白天进行更远距离的成像。在《光学快报》（Optics Express）上，研究人员描述了利用一种被称为超导纳米线单光子探测器的先进光传感元件进行非视距成像的首次演示。这种探测器具有从 X 射线到中红外波长的单光子灵敏度，使研究人员能够将成像技术的光谱范围扩展到1560 nm和1997 nm的近红外和中红外波长。研究人员还开发了一种新算法，以进一步改进系统获得的图像。胡小龙说：这次原理验证为更多的研究机会和潜在应用打开了大门，将非视距成像转向中红外波长为许多应用带来了优势。除了改善机器人和车辆的导航外，它还能提高生物成像的信噪比。

打造灵敏的眼睛
非视距成像技术使用光电探测器来检测视线外物体发射或反射的多束反射光。与激光雷达和摄影等传统视距成像技术不同，非视距成像技术探测到的光线非常微弱。这就需要非常高灵敏度的探测器。胡小龙说：我们设计并制造了一种超导纳米线单光子探测器，它就像一只非常灵敏的眼睛，可以看到隐藏在角落里的物体。这种探测器在近红外和中红外光谱范围内的探测效率优于其他单光子探测器，这使得在更长波长上进行非视距成像成为可能。

研究人员创建了一种超导纳米线单光子探测器，其纳米线排列成分形图案，从而将成像技术的光谱范围扩展到了近红外和中红外波段。资料来源：天津大学，胡小龙

超导纳米线单光子探测器的原理是单光子会破坏超导性。这会产生可测量的电阻变化，从而实现对单个光子的高效探测。在这项新工作中，研究人员用40 nm宽的纳米线创建了一个分形图案排列的单光子探测器。这种图案在不同的放大倍率下呈现出相似的形状，因此可以有效地探测所有偏振的光子。探测器被冷却到约2 K（略高于绝对零度），这是实现超导所必需的。

红外成像
在证明他们的超导纳米线单光子探测器比 InGaAs/InP 单光子雪崩二极管具有更高的时间分辨率和更低的噪声之后，研究人员利用新探测器在1560 nm和1997 nm波长上获取了非视距成像。两个波长的空间分辨率均小于2cm。他们的研究还表明，使用新算法重建的图像的均方根误差--一种衡量与理想图像偏差的指标--明显低于使用其他方法重建的图像。

研究人员现在正努力扩展他们的工作，探索其他感兴趣的波长，并研究如何将多个超导纳米线单光子探测器排列成阵列，以实现更多的功能。他们还希望利用新系统在白天实现更远距离的非视距成像。