圖a.單光子雙梳鬼成像光譜技術(shù)基本原理。圖b.單光子雙梳鬼成像光譜實(shí)驗(yàn)裝置圖。

近日，大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院梅亮教授團(tuán)隊(duì)攜手之江實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)國(guó)峰研究員團(tuán)隊(duì)在單光子精密光譜測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果以“單光子雙光梳鬼成像光譜(Single-photon dual-comb ghost imaging spectroscopy)”為題發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。論文第一作者為光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院博士后彭道旺。

單光子光譜技術(shù)(SPS)能夠?yàn)楣馔刻幱诠庾蛹?jí)別(皮瓦量級(jí))的極弱光場(chǎng)提供高分辨率的光譜信息，在極端光場(chǎng)探測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，顯著拓展了人類(lèi)在天文、物理、生物醫(yī)學(xué)及環(huán)境科學(xué)等前沿領(lǐng)域的探測(cè)極限。然而，用于單光子光譜測(cè)量的探測(cè)器是缺乏光譜分辨能力的單像素二元器件，通過(guò)輸出離散的“1”(高電平)和“0”(低電平)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)，這種二元特性為用“低維”光子計(jì)數(shù)信號(hào)重建“高維”光譜信息帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)單光子光譜技術(shù)通常采用單光子探測(cè)器件連續(xù)采集光子信號(hào)，并通過(guò)積累時(shí)域或空域色散的能量分布來(lái)補(bǔ)償單光子探測(cè)的二元特性，從而通過(guò)光子計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)直方圖實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量。然而，大多數(shù)色散型單光子光譜儀僅能實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)光譜分辨率，且測(cè)量速度緩慢(數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí))。傅里葉變換單光子光譜儀通過(guò)干涉儀對(duì)弱光進(jìn)行連續(xù)時(shí)域延遲掃描，并基于時(shí)域光子計(jì)數(shù)分布重建干涉圖，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)光譜分辨率，典型測(cè)量時(shí)間為數(shù)分鐘。2024年，諾獎(jiǎng)得主團(tuán)隊(duì)Picqué教授等提出光子計(jì)數(shù)雙光梳光譜技術(shù)(Nature627, 289–294, 2024)，通過(guò)重復(fù)計(jì)數(shù)不同時(shí)間點(diǎn)的離散光子重建雙梳干涉圖，在極弱光(90 pW)條件下將光譜分辨率提升至200-500 MHz(約皮米量級(jí))。然而，該方法需要大量記錄“低維”離散單光子信號(hào)以統(tǒng)計(jì)重建連續(xù)時(shí)域/頻域信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)達(dá)小時(shí)量級(jí)。迄今為止，在極弱光場(chǎng)條件下仍難以實(shí)現(xiàn)高速高分辨率光譜測(cè)量。

圖a.基于單光子雙梳鬼成像光譜技術(shù)的長(zhǎng)距離光纖傳感示意圖，圖b.實(shí)驗(yàn)配置示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)提出的單光子雙梳鬼成像光譜技術(shù)采用具有正交矩陣調(diào)制模式分辨光譜的雙梳光源，通過(guò)鬼成像原理重建高分辨率光譜。在雙梳鬼成像光譜系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了頻率間隔125 MHz、線寬12.5 kHz的雙梳光譜的高精度矩陣編碼，消光比優(yōu)于-20 dB。在光功率衰減至210 fW(每秒5×105個(gè)光子，探測(cè)效率30%)的條件下，通過(guò)毫秒量級(jí)的光子計(jì)數(shù)以及鬼成像計(jì)算方法獲得了乙炔分子的指紋吸收光譜，光譜分辨率達(dá)125 MHz(約1 pm)，單次譜范圍8 GHz。相比于現(xiàn)有方案，在同等光子水平(每秒5×105個(gè)光子)及光譜分辨率(~100 MHz)條件下，測(cè)量速度提升1000倍。此外，還實(shí)現(xiàn)了每梳線功率僅飛瓦量級(jí)的相移光纖光柵(PS-FBG)超長(zhǎng)距離(125 km)光纖傳感。本研究工作將高速高分辨光譜技術(shù)推進(jìn)至飛瓦量級(jí)的單光子水平，為高靈敏度痕量分子遙測(cè)、長(zhǎng)距離光纖傳感及光毒性/光敏分子指紋譜表征等奠定了重要基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇