使用可见波长空间光调制器的无探测光子螺旋相位红外成像

看见不可见之物

许多感兴趣的物质——从生物组织到工业材料——在红外光中揭示其特征，而红外是我们肉眼和大多数日常相机难以良好感知的光谱部分。问题在于，灵敏的红外相机既昂贵又嘈杂，而可见光相机便宜、分辨率高且普遍可得。本文展示了如何利用巧妙的量子光学和可编程光场整形器，仅用一台普通的可见光相机就能形成清晰且边缘增强的红外图像，令人惊讶的是，所探测到的光子实际上从未与被成像物体接触。

不接触而“看见”的光

该实验基于一种称为“用无探测光子成像”的技术。一个特殊晶体将高能泵浦光束转换成能量较低的光子对：一个位于可见波长，另一个位于红外。装置允许每对光子在晶体中以两次不同的通路生成，路径被布置为除非有干预，否则无法分辨某对光子是在哪一次通过中产生的。这种有意的不可区分性使可见光子形成的干涉图样对其未被探测的红外伴侣所经历的变化极其敏感。

用隐藏的红外绘制影像

为构成图像，研究者将红外伴侣光束发送到物体——例如测试靶或有图案的掩膜——同时将可见伴侣引导到绝不接触物体的独立光路。红外光束的任何变化，如通过样品时的吸收或相位位移，都会微妙地改变干涉条件。这些变化在常规相机记录的可见光干涉图样中表现为亮度的局部差异。不同于“幽灵成像”，这一方法不需要记录两光子之间的巧合；仅仅存在得知光子对所走通路的可能性，就足以塑造可见图像。

故意用错误的颜色整形光

在许多现代显微镜中，空间光调制器（SLM）置于傅里叶面——一个不同图像细节对应不同空间频率的光学面。通过改变这些频率的相位，人们可以设计点扩散函数、增强对比、校正像差或突出边缘。然而，标准液晶SLM在中红外波长下性能欠佳。这里的关键创新是将一个可见波长的SLM放在可见光子路径上，但用它来操控红外图像的呈现。因为干涉图样共同依赖于两束光的相位，仅对可见光束施加相位掩模就能有效重塑红外物体的信息如何被传递到相机上。

用螺旋技巧让边缘更突出

团队用一种称为螺旋相位掩模的傅里叶滤波器来演示该想法，该掩模在中心点周围引入平滑旋转的相位。在传统光学中，该掩模使物体的每个点模糊成一个甜甜圈形状，其内部相位在均匀区域引发相消干涉而在急剧变化处产生相长干涉。因此，平滑区域变暗而边缘变亮，产生全向的边缘增强。通过在可见光SLM上显示螺旋图案，研究者为仅存在于红外光束中的物体获得了相同的边缘突出效果。明场图像及其螺旋滤波对应图显示边缘从暗变亮、背景被抹平，而红外光既未到达SLM也未到达相机。

迈向更清晰的红外视觉

作者表征了系统的分辨率和视场，显示出测量性能与理论预测的良好一致性，并讨论了残余干涉条纹和由于SLM像素数有限而导致的对比度受限等实际问题。他们概述了改进稳定性和效率的方法，例如采用不同的干涉仪几何结构或使用像素更细的SLM。总体而言，这一概念验证表明，仅用可见光、可编程的光场调制器就能控制红外信息如何转换为可见图像，从而在适合的相机和调制器稀缺的波长下实现边缘增强的样品观察。从长远看，这一方法有望在无需直接探测红外光的情况下，将暗场和相位对比等强有力的对比技术引入红外域。

引用: Wolley, O., Pearce, E., Mekhail, S.P. et al. Spiral phase infrared imaging with undetected photons using a visible wavelength spatial light modulator. Sci Rep 16, 14130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43775-3

关键词: 量子成像, 红外显微镜, 空间光调制器, 边缘增强, 螺旋相位对比