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中國科大團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)單光子雙光梳光譜技術(shù)突破 靈敏度提升百億倍

2025年09月03日 13:29:05 來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：6454

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛向輝教授團(tuán)隊在光譜探測領(lǐng)域取得重大突破，開創(chuàng)性提出單光子雙光梳探測新方法，將檢測靈敏度提升100億倍至阿瓦級別。該技術(shù)成功攻克光路波動難題，實(shí)現(xiàn)了在暴雨、地震等極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，為大氣遙感和環(huán)境監(jiān)測提供了革命性的技術(shù)手段。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛向輝教授團(tuán)隊在單光子雙光梳光譜領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出雙光梳探測新方法并在開放大氣光譜探測中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用突破。該項(xiàng)研究成果于8月27日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Light: Science & Applications》。
 

 

　　研究團(tuán)隊采用銦鎵砷單光子雪崩二極管（SPAD）替代傳統(tǒng)光電探測器，通過記錄每個光子到達(dá)探測器的精確時間，設(shè)計共模信號感知與觸發(fā)計數(shù)協(xié)議，成功克服光路波動問題。團(tuán)隊利用統(tǒng)計計數(shù)方法，從海量光子到達(dá)事件的關(guān)聯(lián)性中重建出萬頻級雙光梳干涉信號。
 
　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該"光子計數(shù)"模式使系統(tǒng)檢測靈敏度達(dá)到4阿瓦/梳線(1阿瓦=10?¹?瓦)，較傳統(tǒng)雙光梳光譜技術(shù)靈敏度提升10個量級(約100億倍)。此項(xiàng)技術(shù)突破使激光功率降至毫瓦級，滿足人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，并可采用小口徑低成本光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)百公里開放大氣光譜測量。
 
　　在傳統(tǒng)雙光梳光譜測量中，普通光電探測器存在探測下限限制，即使是高靈敏度近紅外探測器通常也只能探測到數(shù)皮瓦量級的微弱信號。而單光子探測器雖能檢測極弱信號，但其離散信號輸出特性和長死時間限制了對干涉信號頻率成分的提取。
 
　　針對這些技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊系統(tǒng)研究了單光子級雙光梳干涉信號的物理機(jī)制與光子到達(dá)時間計數(shù)方法，提出共模觸發(fā)架構(gòu)，通過引入?yún)⒖脊饴穼?shí)時監(jiān)測并補(bǔ)償光纖長度抖動與大氣湍流影響。
 
　　團(tuán)隊在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬湍流光路條件，在光路嚴(yán)重抖動環(huán)境下成功獲取20納米帶寬的單光子級HCN分子吸收光譜。在總能量低至20飛瓦(單根梳齒僅18阿瓦)的極端條件下，系統(tǒng)仍展現(xiàn)出亞赫茲級光譜分辨率與長期光子計數(shù)穩(wěn)定性。
 
　　為推動技術(shù)實(shí)用化，團(tuán)隊研制出全光纖集成的便攜式系統(tǒng)，并在合肥開展全球首個單光子開放大氣雙光梳光譜實(shí)驗(yàn)。在3.3公里城市復(fù)雜環(huán)境中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長期不間斷監(jiān)測，同步解析CO?、H?O、HDO等關(guān)鍵氣體的寬光譜濃度變化。
 
　　實(shí)驗(yàn)期間，系統(tǒng)在暴雨導(dǎo)致93dB鏈路衰減(信號強(qiáng)度下降超2億倍)條件下，僅需15分鐘即可完成光譜重建。在持續(xù)監(jiān)測過程中，實(shí)驗(yàn)場地三次遭遇4.7-4.9級地震，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
 
　　研究人員表示，該技術(shù)有望在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)檢測和遙感測繪等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，為大氣痕量氣體監(jiān)測、量子光學(xué)精密測量等復(fù)雜應(yīng)用場景提供全新解決方案。
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