李强、尤立星分享探测器在红外伪装和生物领域的研究进展 | LOP六十周年特辑④

红外伪装技术是指隐藏或改变目标红外辐射特征的技术，对于提升目标的生存率具有重要意义。然而，多波段探测技术的发展给传统的红外伪装技术带来了挑战。在日益严峻的生存环境驱使下，多波段兼容伪装技术应运而生。

近日，浙江大学的李强教授和西湖大学仇旻教授研究团队分析了目标物在各波段面临的主要威胁及对应的伪装要求，并介绍评述了实现多波段兼容性伪装的多种手段。

各探测波段的波长差异及伪装材料不同的电磁响应特性，为设计分层次结构实现多波段伪装提供了可能。依托微纳光子学的发展，兼容可见、近红外、微波波段伪装的热红外伪装技术取得了长足进展。

在热红外波段，探测设备主要通过捕获目标自身的热辐射信号来侦知目标，因此往往使用金属材料或多层薄膜结构降低其辐射率。考虑到目标辐射散热的需求，可以利用光子晶体、F-P腔、金属-电介质-金属超表面等结构实现选择性辐射，在非探测波段（5-8 μm）进行辐射散热。

融合可见伪装的红外伪装技术通过在顶部增加一层可见调控层，利用薄膜的干涉效应实现与环境相似的色彩特征，从而对可见成像设备隐身。特别地，使用透明导电氧化物或金属线网代替金属薄膜，可实现可见高透的伪装器件，应用于观察窗等有特殊需求的场合。

微波雷达向外发射雷达波，并收集目标的回波信号来搜索目标。因此对基于金属材料的红外伪装器件，需要将连续的金属层切割为与微波尺寸相近的岛状结构，使得微波能够透过，并被下方的微波吸收器吸收。将入射雷达波散射到其他方向也能有效降低回波信号，这一般通过编码超表面实现。

在近红外波段，主要考虑两类威胁。一是宽带的环境近红外光源（主要是日光、月光、夜光等），可通过金属谐振结构或介质减反射膜实现目标的低反射，避免暴露在近红外成像设备下。二是窄带的激光雷达，可利用减反射结构或编码超表面减少回波信号。

作者：吕超林, 尤立星, 覃俭, 徐光照, 蒋燕阳, 史经浩.

作为信息和能量的载体，光子在生物成探测像中具有无电离辐射、高分辨率、可特异性标记等独特优势，但由于光在高散射特性的生物组织内很容易被散射，其成像深度一直停留在浅层的百微米量级以下，如何实现更大深度的生物组织成像一直是人们期盼已久但很有挑战性的目标。

进一步研究发现，散射强度一般与波长的四次方呈正比，通过将波长转移到近红外波段乃至中红外波段，光有可能穿透厘米深度的生物组织。但受限于近红外波段可用的光子探测器和荧光探针，研究人员率先开发出近红外波段光源激发和可见光波段荧光发射结合的多光子显微镜，进而实现1毫米左右的成像深度。为了进一步增加成像深度，最优的解决方案仍然是近红外波段的激发和荧光发射。

探测器是生物光学成像中的核心部件，目前常用的探测器一般为半导体探测器，包含少光子灵敏的CMOS和CCD以及单光子灵敏的光电倍增管PMT和SiPM、雪崩光电二极管SPAD等。

近二十年飞速发展的量子信息领域催生了单光子探测技术的大爆发和器件性能的大跃进，其中的优秀代表为2001年被发明出来的超导纳米线单光子探测器（SNSPD），其核心性能已全面超越传统的光子探测器如PMT和SPAD等。SNSPD具有极限的单光子灵敏度，且在近红外波段如1550 nm的单光子探测效率达到98%，接近100%的探测极限，噪声一般低于50 Hz，优化后可低于1 Hz，在信噪比方面比常规半导体探测器高2~3个数量级，在荧光激发效率较低的生物成像应用中具有显著的优势。

本文以SNSPD的基本工作原理为基础，讨论了重要性能指标的影响因素，并系统性地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。值得一提的是，2022年，斯坦福大学的戴宏杰院士团队利用SNSPD替代PMT实现近红外二区的单光子共聚焦显微镜，将成像深度提升至1.1mm。相信，在不远的将来，SNSPD将为生物医学光子学领域带来全新的理念和机遇。

NIR-II窗口中完整小鼠头的非侵入性体内共聚焦显微镜，相比PMT探测器，利用SNSPD探测器，成像深度可以提升至1 mm以上

Nature Nanotechnology, 2022. 17(6): p. 653-660.