寬帶中紅外單光子時間拉伸光譜測量系統設計研究

中紅外（MIR）吸收光譜技術在痕量檢測、紅外遙感和醫學診斷等諸多領域具有重要應用，不斷提高探測靈敏度對于滿足低照度應用場景具有重要意義。然而，現存中紅外探測器在室溫下噪聲較大，嚴重限制了傳統光譜儀的探測靈敏度。此外，免掃描（scanning-free）中紅外光譜儀通常需要焦平面探測陣列，不僅造價昂貴，光譜分辨率也受到像素規模的嚴重限制。因此，在室溫條件實現兼具寬光譜、高靈敏度和高分辨率的中紅外光譜探測長期以來都頗具挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，華東師范大學黃坤研究員和曾和平教授團隊聯合上海大學郭海潤教授與上海理工大學梁焰副教授課題組，設計研發了寬帶中紅外單光子時間拉伸光譜測量系統，利用高保真頻率上轉換與時間相關光子計數技術，獲得了具備單光子靈敏度和亞波數光譜分辨率的優越性能。

相關研究成果以“Single-Photon Time-Stretch Infrared Spectroscopy”為題發表于Laser & Photonics Reviews期刊。論文第一作者為Ben Sun，通訊作者為黃坤研究員和曾和平教授。

這項研究采用寬帶非線性和頻產生（SFG）過程，將覆蓋2.4 μm-4.2 μm的超連續譜轉換到近紅外波段，以充分利用該波段具有的低損耗單模光纖和高性能硅基探測器，為時間拉伸變換和光子靈敏探測提供了解決之道。

如圖1所示，該研究提出的中紅外上轉換時間拉伸光譜技術的核心在于對相關光場進行光譜時間（spectro-temporal）操控。整個過程包括三個主要步驟：寬帶頻率上轉換、時間拉伸操控以及相關光子計數。

圖1 中紅外時間拉伸單光子上轉換光譜的概念和性能

圖2展示了中紅外時間拉伸單光子上轉換光譜儀的實驗設置，包括光源產生、寬帶頻率上轉換和時間拉伸光譜。Si?N?采用長5 mm的波導，獲得了1.5 μm-4.2 μm的倍頻跨度超連續譜（如圖3a）。隨后，研究人員校準了中紅外時間拉伸上轉換光譜儀，圖4a展示了中紅外超連續譜光源的上轉換光譜。

圖2 中紅外時間拉伸單光子上轉換光譜儀設置

圖3 信號脈沖和泵浦脈沖的光譜時間表征

圖4 上轉換光場的表征

實驗結果顯示，上轉換光子的到達時間由低定時抖動光子計數器精確記錄，通過時間與波長之間的映射關系，在低至0.14 photons/nm/pulse的單光子照度下，實現了~0.5 cm?1的中紅外光譜分辨率，相關結果如圖5所示。

圖5 高分辨率中紅外時間拉伸光譜

綜上所述，該研究團隊首次在時間域上實現了中紅外單光子光譜分析，結合了上轉換探測和時間拉伸光譜的優點，克服了在精密光譜測量中對多像素探測陣列的嚴苛要求，利用單像素光子探測器即可實現寬帶光譜覆蓋、單光子靈敏度和亞波數光譜分辨率的中紅外光譜探測。未來，該技術有望擴展到長波紅外或太赫茲波段，以滿足該譜段對于高靈敏度和高分辨光譜測量的迫切需求，將為材料、化學、生物、醫學等領域提供全新的單光子光譜分析手段。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202301272

審核編輯：劉清