圖a.單光子雙梳鬼成像光譜技術基本原理。圖b.單光子雙梳鬼成像光譜實驗裝置圖。

近日，大連理工大學光電工程與儀器科學學院梅亮教授團隊攜手之江實驗室嚴國峰研究員團隊在單光子精密光譜測量領域取得重要進展，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學院博士后彭道旺。

單光子光譜技術(SPS)能夠為光通量處于光子級別(皮瓦量級)的極弱光場提供高分辨率的光譜信息，在極端光場探測中發揮著關鍵作用，顯著拓展了人類在天文、物理、生物醫學及環境科學等前沿領域的探測極限。然而，用于單光子光譜測量的探測器是缺乏光譜分辨能力的單像素二元器件，通過輸出離散的“1”(高電平)和“0”(低電平)信號來實現光子計數，這種二元特性為用“低維”光子計數信號重建“高維”光譜信息帶來了重大挑戰。

傳統單光子光譜技術通常采用單光子探測器件連續采集光子信號，并通過積累時域或空域色散的能量分布來補償單光子探測的二元特性，從而通過光子計數的統計直方圖實現光譜測量。然而，大多數色散型單光子光譜儀僅能實現亞納米級光譜分辨率，且測量速度緩慢(數分鐘至數小時)。傅里葉變換單光子光譜儀通過干涉儀對弱光進行連續時域延遲掃描，并基于時域光子計數分布重建干涉圖，可實現納米級光譜分辨率，典型測量時間為數分鐘。2024年，諾獎得主團隊Picqué教授等提出光子計數雙光梳光譜技術(Nature627, 289–294, 2024)，通過重復計數不同時間點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)。然而，該方法需要大量記錄“低維”離散單光子信號以統計重建連續時域/頻域信號，導致測量時間長達小時量級。迄今為止，在極弱光場條件下仍難以實現高速高分辨率光譜測量。

圖a.基于單光子雙梳鬼成像光譜技術的長距離光纖傳感示意圖，圖b.實驗配置示意圖。

研究團隊提出的單光子雙梳鬼成像光譜技術采用具有正交矩陣調制模式分辨光譜的雙梳光源，通過鬼成像原理重建高分辨率光譜。在雙梳鬼成像光譜系統中，實現了頻率間隔125 MHz、線寬12.5 kHz的雙梳光譜的高精度矩陣編碼，消光比優于-20 dB。在光功率衰減至210 fW(每秒5×105個光子，探測效率30%)的條件下，通過毫秒量級的光子計數以及鬼成像計算方法獲得了乙炔分子的指紋吸收光譜，光譜分辨率達125 MHz(約1 pm)，單次譜范圍8 GHz。相比于現有方案，在同等光子水平(每秒5×105個光子)及光譜分辨率(~100 MHz)條件下，測量速度提升1000倍。此外，還實現了每梳線功率僅飛瓦量級的相移光纖光柵(PS-FBG)超長距離(125 km)光纖傳感。本研究工作將高速高分辨光譜技術推進至飛瓦量級的單光子水平，為高靈敏度痕量分子遙測、長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。

審核編輯 黃宇