大连理工在单光子精密光谱测量领域取得重要进展

图a.单光子双梳鬼成像光谱技术基本原理。图b.单光子双梳鬼成像光谱实验装置图。

近日，大连理工大学光电工程与仪器科学学院梅亮教授团队携手之江实验室严国峰研究员团队在单光子精密光谱测量领域取得重要进展，研究成果以“单光子双光梳鬼成像光谱(Single-photon dual-comb ghost imaging spectroscopy)”为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊。论文第一作者为光电工程与仪器科学学院博士后彭道旺。

单光子光谱技术(SPS)能够为光通量处于光子级别(皮瓦量级)的极弱光场提供高分辨率的光谱信息，在极端光场探测中发挥着关键作用，显著拓展了人类在天文、物理、生物医学及环境科学等前沿领域的探测极限。然而，用于单光子光谱测量的探测器是缺乏光谱分辨能力的单像素二元器件，通过输出离散的“1”(高电平)和“0”(低电平)信号来实现光子计数，这种二元特性为用“低维”光子计数信号重建“高维”光谱信息带来了重大挑战。

传统单光子光谱技术通常采用单光子探测器件连续采集光子信号，并通过积累时域或空域色散的能量分布来补偿单光子探测的二元特性，从而通过光子计数的统计直方图实现光谱测量。然而，大多数色散型单光子光谱仪仅能实现亚纳米级光谱分辨率，且测量速度缓慢(数分钟至数小时)。傅里叶变换单光子光谱仪通过干涉仪对弱光进行连续时域延迟扫描，并基于时域光子计数分布重建干涉图，可实现纳米级光谱分辨率，典型测量时间为数分钟。2024年，诺奖得主团队Picqué教授等提出光子计数双光梳光谱技术(Nature627, 289–294, 2024)，通过重复计数不同时间点的离散光子重建双梳干涉图，在极弱光(90 pW)条件下将光谱分辨率提升至200-500 MHz(约皮米量级)。然而，该方法需要大量记录“低维”离散单光子信号以统计重建连续时域/频域信号，导致测量时间长达小时量级。迄今为止，在极弱光场条件下仍难以实现高速高分辨率光谱测量。

图a.基于单光子双梳鬼成像光谱技术的长距离光纤传感示意图，图b.实验配置示意图。

研究团队提出的单光子双梳鬼成像光谱技术采用具有正交矩阵调制模式分辨光谱的双梳光源，通过鬼成像原理重建高分辨率光谱。在双梳鬼成像光谱系统中，实现了频率间隔125 MHz、线宽12.5 kHz的双梳光谱的高精度矩阵编码，消光比优于-20 dB。在光功率衰减至210 fW(每秒5×105个光子，探测效率30%)的条件下，通过毫秒量级的光子计数以及鬼成像计算方法获得了乙炔分子的指纹吸收光谱，光谱分辨率达125 MHz(约1 pm)，单次谱范围8 GHz。相比于现有方案，在同等光子水平(每秒5×105个光子)及光谱分辨率(~100 MHz)条件下，测量速度提升1000倍。此外，还实现了每梳线功率仅飞瓦量级的相移光纤光栅(PS-FBG)超长距离(125 km)光纤传感。本研究工作将高速高分辨光谱技术推进至飞瓦量级的单光子水平，为高灵敏度痕量分子遥测、长距离光纤传感及光毒性/光敏分子指纹谱表征等奠定了重要基础。

审核编辑 黄宇