華東師大科研團隊實現高幀頻中紅外單光子上轉換光譜儀
【化工儀器網 項目成果】近日，華東師大研究團隊在 Laser & Photonics Reviews 雜志發表一項中紅外高速光譜探測領域的研究成果。團隊發展的中紅外上轉換光譜測量技術具有寬波段、超靈敏、高幀頻的特點，光譜刷新率達到近百外幀每秒，單光子靈敏度逼近量子極限，在燃燒場分析、高通量分選和化學反應跟蹤等需要應用高速靈敏紅外光譜測量的場景提供技術支持。
中紅外輻射通常被定義為波長處于2.5-25 μm或頻率處于400-4000 cm-1的電磁波。中紅外波段包含眾多分子振轉能級躍遷的特征譜線，尤其是600-1400 cm-1的光譜區域有大量分子指紋的重疊，稱為“指紋區域”或“光譜指紋”。因此中紅外光譜技術在軍事、環境監測、醫學治療以及基礎研究等領域具有廣泛的應用。
受到探測器靈敏度及寬帶光源亮度的限制，傳統中紅外光譜儀的性能在實際應用中經常無法滿足前沿研究的需求。為提高中紅外高速光譜測量的信噪比，近年來研究者發展出了頻率上轉換技術，通過非線性過程將中紅外波段轉換到可見光或近紅外波段，進而利用高性能硅基探測器實現信號的靈敏捕獲。但是該技術在單光子水平的超靈敏測量仍然存在單次測量譜帶范圍窄、光譜探測速率受限等問題。
針對上述問題，華東師大科研團隊構建了具有單光子探測靈敏度和亞兆赫茲刷新率的寬帶中紅外上轉換光譜儀，從中紅外光源制備和中紅外光譜探測技術等方面進行了改進。使其具備寬帶光譜覆蓋、單光子靈敏度和兆赫茲刷新率等性能。
在中紅外光源制備方面，利用氮化硅(Si3N4)光子波導制備出覆蓋1.5-4.2μm的寬光譜中紅外超連續譜光源，相對傳統熱輻射光源具有更好方向性、更優光束質量以及更高光譜亮度，且通過波導結構色散調控與泵浦光場時頻控制，可以實現光譜覆蓋范圍以及光譜平坦度等參數的定制與優化。此外，相對于基于固態光學參量振蕩器的中紅外制備方式，基于光學波導集成的超連續譜源可以直接兼容光纖激光，為發展高集成、高穩定的中紅外寬帶相干光源獲取提供了有效途徑，有助于提升后續光譜測量的信噪比與刷新率。
在中紅外光譜探測方面，研究人員發展了同步脈沖泵浦的非線性頻率上轉換探測技術，通過制備與紅外信號光子時域高精度同步的泵浦脈沖，在啁啾性極化鈮酸鋰非線性晶體中實現了1700 nm超寬帶的中紅外高效轉換，然后借助高性能可見光/近紅外分光與探測器件，實現了高分辨、高靈敏的中紅外光譜測量。為了進一步壓制參量熒光噪聲與環境背景噪聲，研究人員結合高效空間濾波與光譜濾波技術，獲得了高達210 dB的噪聲抑制比，利用硅基EMCCD最終獲得了0.2光子/納米/脈沖的超靈敏度中紅外光譜，光譜分辨率為5 cm−1。進一步地，得益于高亮度的寬帶中紅外源、高效率的頻率轉換以及高抑制比的噪聲濾波性能，研究者利用高性能硅基CMOS相機實現了高達212,500幀的光譜采集速率，比此前相關報道在相同信噪比下提高了至少一個數量級。
華東師大科研團隊在中紅外光譜測量技術的突破是我國儀器技術的又一次重大進展，使我國在前沿研究中又多了一項自主技術，減少了對國外技術的依賴。
資料來源：華東師范大學
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