华东师大科研团队实现高帧频中红外单光子上转换光谱仪

 

　　中红外辐射通常被定义为波长处于2.5-25 μm或频率处于400-4000 cm^-1的电磁波。中红外波段包含众多分子振转能级跃迁的特征谱线，尤其是600-1400 cm^-1的光谱区域有大量分子指纹的重叠，称为“指纹区域”或“光谱指纹”。因此中红外光谱技术在军事、环境监测、医学治疗以及基础研究等领域具有广泛的应用。
 

　　受到探测器灵敏度及宽带光源亮度的限制，传统中红外光谱仪的性能在实际应用中经常无法满足前沿研究的需求。为提高中红外高速光谱测量的信噪比，近年来研究者发展出了频率上转换技术，通过非线性过程将中红外波段转换到可见光或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器实现信号的灵敏捕获。但是该技术在单光子水平的超灵敏测量仍然存在单次测量谱带范围窄、光谱探测速率受限等问题。
 

　　针对上述问题，华东师大科研团队构建了具有单光子探测灵敏度和亚兆赫兹刷新率的宽带中红外上转换光谱仪，从中红外光源制备和中红外光谱探测技术等方面进行了改进。使其具备宽带光谱覆盖、单光子灵敏度和兆赫兹刷新率等性能。
 

　　在中红外光源制备方面，利用氮化硅(Si3N4)光子波导制备出覆盖1.5-4.2μm的宽光谱中红外超连续谱光源，相对传统热辐射光源具有更好方向性、更优光束质量以及更高光谱亮度，且通过波导结构色散调控与泵浦光场时频控制，可以实现光谱覆盖范围以及光谱平坦度等参数的定制与优化。此外，相对于基于固态光学参量振荡器的中红外制备方式，基于光学波导集成的超连续谱源可以直接兼容光纤激光，为发展高集成、高稳定的中红外宽带相干光源获取提供了有效途径，有助于提升后续光谱测量的信噪比与刷新率。
 

　　在中红外光谱探测方面，研究人员发展了同步脉冲泵浦的非线性频率上转换探测技术，通过制备与红外信号光子时域高精度同步的泵浦脉冲，在啁啾性极化铌酸锂非线性晶体中实现了1700 nm超宽带的中红外高效转换，然后借助高性能可见光/近红外分光与探测器件，实现了高分辨、高灵敏的中红外光谱测量。为了进一步压制参量荧光噪声与环境背景噪声，研究人员结合高效空间滤波与光谱滤波技术，获得了高达210 dB的噪声抑制比，利用硅基EMCCD最终获得了0.2光子/纳米/脉冲的超灵敏度中红外光谱，光谱分辨率为5 cm⁻¹。进一步地，得益于高亮度的宽带中红外源、高效率的频率转换以及高抑制比的噪声滤波性能，研究者利用高性能硅基CMOS相机实现了高达212,500帧的光谱采集速率，比此前相关报道在相同信噪比下提高了至少一个数量级。
 

　　华东师大科研团队在中红外光谱测量技术的突破是我国仪器技术的又一次重大进展，使我国在前沿研究中又多了一项自主技术，减少了对国外技术的依赖。
 

　　资料来源：华东师范大学