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Reuben S. Aspden, Nathan R. Gemmell, Peter A. Morris等研究人员来自英国格拉斯哥大学、赫瑞瓦特大学，意大利米兰理工大学，加拿大渥太华大学以及美国罗切斯特大学等多个学术机构。这篇研究论文于2015年12月发表在《Optica》期刊上。

本研究的主要科学领域是光学显微成像技术，特别是基于“鬼成像”（Ghost Imaging）的光子稀疏显微成像技术。传统成像系统依赖于物体反射或透射的可见光进行成像，而鬼成像则利用了通过自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）生成的光子对的空间相关性。这种技术的优势在于可以使用一种波长的光照射物体，而用另一种波长的光记录图像信息，从而实现波长转换成像。研究的背景知识包括SPDC过程的基本原理，即高能泵浦光子分解为一对低能信号光子和闲置光子，并且这对光子在位置和动量上具有强相关性。此外，传统的红外成像面临探测器效率低、噪声高等问题，而本研究旨在通过结合鬼成像技术和波长转换能力，解决这些问题并开发超低光照条件下的显微成像方法。

本研究的工作流程包括以下几个主要步骤：
1. 实验装置设计与搭建：研究团队利用非简并SPDC过程生成460纳米（可见光）和1550纳米（红外光）的光子对。这些光子在二向色镜处分开，分别沿不同的光学路径传播。红外光子用于照射物体，而可见光子则被时间门控增强型CCD相机（ICCD）记录。
2. 光子检测与触发机制：红外光子透过物体后被单光子雪崩二极管（InGaAs/InP SPAD）检测到，这一事件触发ICCD相机的增强器，使其仅记录与红外光子位置相关的可见光子。为了确保仅记录相关光子，研究团队在信号路径中引入了一条自由空间延迟线以补偿电子延迟。
3. 数据采集与处理：实验中使用的泵浦激光功率约为50毫瓦，重复频率为100 MHz，增强器的门控时间为10纳秒。每次触发ICCD时，相机通常仅检测到一个光子。每帧曝光时间为0.1秒，触发频率约为10 kHz，因此每帧包含多次触发事件。尽管如此，由于光学通路效率和ICCD量子效率的限制，最终每帧的光子检测效率约为7%。研究人员通过累积多帧数据来形成最终图像，并采用光子计数方法将每帧数据转换为每个像素的光子数。
4. 实验对象与测试：研究团队使用了一种由抛光硅片制成的测试目标，其上通过电子束光刻和沉积技术制作了金制微型图案（如“IR”字母）。硅片在1550纳米波长下透明，而金层不透明，这使得红外光子能够有效探测物体结构。

研究的主要结果如下：
1. 图像重建与质量：通过累积不同数量的ICCD帧数据，研究团队成功重建了高质量的图像。例如，在累积8500个光子时即可获得初步图像，而在累积317,000个光子时图像质量显著提高。即使在极低光子密度条件下，也可以通过重建技术获得高视觉质量的图像。
2. 分辨率与对比度：研究团队评估了系统的分辨率和对比度。通过对硅“λ”和金“IR”图案的成像，获得了71%的图像对比度，系统分辨率对应于约15微米的点扩散函数（2σ）。这一分辨率受到SPDC过程中信号和闲置光子空间相关性强度以及光学系统的衍射极限的共同限制。
3. 光子通量与能量沉积：研究团队计算了照射物体的红外光子通量。在无物体情况下，通过测量预示探测器检测到的光子数，推算出物体平面内边界框内的红外光子通量为每秒2×10^5个光子，对应于25飞瓦的照明功率和约100皮焦耳/平方厘米/秒的能量沉积。对于总曝光时间为30秒和10分钟的图像，物体上的总能量沉积分别为750飞焦耳和15皮焦耳。

本研究得出的结论是，通过使用波长为1550纳米的红外光子照射物体，并利用波长为460纳米的可见光子记录图像信息，可以在超低光照条件下实现高质量显微成像。这种方法特别适用于对光敏感的样品成像或需要隐蔽操作的场景。研究的意义在于提供了一种新的显微成像技术，能够在极低光照条件下减少对样品的光损伤，同时保持较高的图像质量和对比度。

本研究的亮点包括：
1. 首次实现了信号光子和闲置光子波长比为1:3的鬼成像技术，并将其与阵列型探测器结合。
2. 通过波长转换能力，解决了红外成像中探测器效率低和噪声高的问题。
3. 在极低光子通量条件下实现了高对比度成像，展示了该技术在光敏样品成像中的潜在应用价值。

此外，研究团队还指出，该技术的量子效率约为7%，低于现有短波红外低光相机的85%，但其暗噪声率显著降低（每像素每秒0.01个噪声事件），从而能够在更低照明功率下获得高对比度图像。这项研究为未来光子稀疏显微成像技术的发展提供了重要的理论和技术基础。