【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科大薛向輝教授團(tuán)隊(duì)在單光子雙光梳光譜領(lǐng)域創(chuàng)新性提出雙光梳探測方法新范式，并在開放大氣光譜探測應(yīng)用中取得重要突破，該項(xiàng)成果8月27日在線發(fā)表在《Light: Science & Applications》上[Light：Sci & Appl14, 293 (2025)]。團(tuán)隊(duì)成員趙若燦，鐘偉等人另辟蹊徑，采用銦鎵砷(InGaAs)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(gè)光子到達(dá)探測器的精確時(shí)間，巧妙設(shè)計(jì)共模信號(hào)感知與觸發(fā)計(jì)數(shù)協(xié)議，成功攻克光路波動(dòng)難題。團(tuán)隊(duì)利用統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jí)雙光梳干涉信號(hào)。該“光子計(jì)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(gè)量級(jí)(100億倍)！該技術(shù)突破將使激光功率降至毫瓦級(jí)，完全滿足人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，且采用小口徑低成本光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)以往需要耗費(fèi)巨大成本才能達(dá)成的百公里開放大氣光譜測量，為大氣遙感提供了新思路。
在傳統(tǒng)雙光梳光譜測量中，當(dāng)探測信號(hào)能量充足時(shí)，采用普通光電探測器通過外差干涉，可以將原本處于光頻范圍的寬帶光譜信號(hào)下轉(zhuǎn)換至射頻域，結(jié)合成熟的電子學(xué)采集卡與計(jì)算設(shè)備，即可高效完成光譜數(shù)據(jù)處理。作為典型的線性探測模式，外差信號(hào)強(qiáng)度與探測器輸出電壓成正比，因此能夠?qū)崟r(shí)、直觀地呈現(xiàn)光譜信息，為高精度成分分析提供可靠依據(jù)。然而，傳統(tǒng)光電探測器存在固有的探測下限，即使是目前靈敏度最高的近紅外探測器，在極低帶寬、大幅提升增益的條件下，通常也只能探測到數(shù)皮瓦(10-12W)量級(jí)的微弱信號(hào)。在開放大氣遙感、深空探測等挑戰(zhàn)性場景中，光信號(hào)功率常低至亞皮瓦乃至飛瓦(10-15W)，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)探測器的探測閾值。為突破這一限制，單光子探測器成為關(guān)鍵技術(shù)路徑。區(qū)別于傳統(tǒng)光電探測器的，單光子探測器僅能記錄光子在某一時(shí)刻的 “到達(dá)” 或 “未到達(dá)” 狀態(tài)，輸出為一串離散的二進(jìn)制脈沖信號(hào)，而非連續(xù)的模擬波形。這意味著科研人員需從海量 “01” 序列中重構(gòu)光譜信息。此外，單光子探測器的高增益特性帶來長死時(shí)間(即兩次有效探測的最小間隔)，嚴(yán)重限制了實(shí)際探測帶寬，具體來說，為獲取百兆赫茲的干涉信號(hào)頻率成分，需在遠(yuǎn)高于單光子探測器最大計(jì)數(shù)率的條件下，完成信號(hào)特征提取。
圖1. 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證光路抖動(dòng)、飛瓦級(jí)總探測能量條件下的HCN雙光梳光譜
針對(duì)上述技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了單光子級(jí)雙光梳干涉信號(hào)的物理機(jī)制與光子到達(dá)時(shí)間計(jì)數(shù)方法，創(chuàng)新性提出共模觸發(fā)架構(gòu)，通過引入?yún)⒖脊饴穼?shí)時(shí)監(jiān)測并補(bǔ)償光纖長度抖動(dòng)與大氣湍流帶來的影響，實(shí)現(xiàn)從單光子探測器輸出的二進(jìn)制序列中，精準(zhǔn)提取光譜信息。團(tuán)隊(duì)成功研制出全光纖集成、小型化、低功耗的單光子雙光梳光譜系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)在靈敏度、穩(wěn)定性與便攜性的限制，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)用場景提供了全新解決方案。
基于該理論架構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)通過多維度實(shí)驗(yàn)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，科研人員模擬湍流光路條件，在光路嚴(yán)重抖動(dòng)的環(huán)境下成功獲取20納米帶寬的單光子級(jí)HCN分子吸收光譜(如圖 2 所示)；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(jí)光譜分辨率與長期光子計(jì)數(shù)穩(wěn)定性，刷新了當(dāng)前雙光梳光譜探測靈敏度與帶寬紀(jì)錄。
為推動(dòng)技術(shù)邁向?qū)嵱没瑘F(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)出全光纖集成的便攜式系統(tǒng)，并在合肥開展全球首個(gè)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(涵蓋高架橋湍流區(qū)、車流密集帶)，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。值得關(guān)注的是，面對(duì)暴雨導(dǎo)致的 93dB 鏈路衰減(相當(dāng)于信號(hào)強(qiáng)度下降超2億倍)，系統(tǒng)僅需15分鐘即可完成光譜重建；在持續(xù)監(jiān)測期間，實(shí)驗(yàn)場地(位于16層高樓)三次遭遇 4.7-4.9 級(jí)地震(震源距實(shí)驗(yàn)室僅30公里)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，充分展示共模觸發(fā)架構(gòu)的抗干擾能力。
圖2. 開放大氣鏈路單光子雙光梳光譜測量實(shí)驗(yàn)
本研究通過單光子探測與雙光梳光譜的創(chuàng)新性融合，不僅突破了傳統(tǒng)雙光梳技術(shù)在靈敏度、穩(wěn)定性與便攜性的多重瓶頸，更開創(chuàng)了極端環(huán)境下光譜測量的新范式。未來，該技術(shù)有望在三大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性應(yīng)用：在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，可構(gòu)建覆蓋城市、海洋、森林的立體遙感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)追蹤溫室氣體排放；在工業(yè)檢測領(lǐng)域，將賦能工業(yè)制造、能源電力的痕量氣體在線監(jiān)測；在遙感測繪領(lǐng)域，基于硬目標(biāo)反射的單光子光譜雷達(dá)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多類型目標(biāo)的高精度探測。隨著技術(shù)持續(xù)迭代，單光子雙光梳光譜系統(tǒng)正加速從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，為全球環(huán)境治理、高端制造與國家“雙碳”目標(biāo)構(gòu)筑“光子級(jí)”監(jiān)測防線。這項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部和中國科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
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