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中国科大团队实现单光子双光梳光谱技术突破 灵敏度提升百亿倍
2025年09月03日 13:29:05
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：6598
中国科学技术大学薛向辉教授团队在光谱探测领域取得重大突破，开创性提出单光子双光梳探测新方法，将检测灵敏度提升100亿倍至阿瓦级别。该技术成功攻克光路波动难题，实现了在暴雨、地震等极端环境下稳定运行，为大气遥感和环境监测提供了革命性的技术手段。
中国科学技术大学薛向辉教授团队在单光子双光梳光谱领域取得重要进展，提出双光梳探测新方法并在开放大气光谱探测中实现应用突破。该项研究成果于8月27日在线发表于国际学术期刊《Light: Science & Applications》。
研究团队采用铟镓砷单光子雪崩二极管（SPAD）替代传统光电探测器，通过记录每个光子到达探测器的精确时间，设计共模信号感知与触发计数协议，成功克服光路波动问题。团队利用统计计数方法，从海量光子到达事件的关联性中重建出万频级双光梳干涉信号。
实验数据显示，该"光子计数"模式使系统检测灵敏度达到4阿瓦/梳线(1阿瓦=10⁻¹⁸瓦)，较传统双光梳光谱技术灵敏度提升10个量级(约100亿倍)。此项技术突破使激光功率降至毫瓦级，满足人眼安全标准，并可采用小口径低成本光学望远镜系统实现百公里开放大气光谱测量。
在传统双光梳光谱测量中，普通光电探测器存在探测下限限制，即使是高灵敏度近红外探测器通常也只能探测到数皮瓦量级的微弱信号。而单光子探测器虽能检测极弱信号，但其离散信号输出特性和长死时间限制了对干涉信号频率成分的提取。
针对这些技术瓶颈，研究团队系统研究了单光子级双光梳干涉信号的物理机制与光子到达时间计数方法，提出共模触发架构，通过引入参考光路实时监测并补偿光纤长度抖动与大气湍流影响。
团队在实验室环境中模拟湍流光路条件，在光路严重抖动环境下成功获取20纳米带宽的单光子级HCN分子吸收光谱。在总能量低至20飞瓦(单根梳齿仅18阿瓦)的极端条件下，系统仍展现出亚赫兹级光谱分辨率与长期光子计数稳定性。
为推动技术实用化，团队研制出全光纤集成的便携式系统，并在合肥开展全球首个单光子开放大气双光梳光谱实验。在3.3公里城市复杂环境中，该系统实现长期不间断监测，同步解析CO₂、H₂O、HDO等关键气体的宽光谱浓度变化。
实验期间，系统在暴雨导致93dB链路衰减(信号强度下降超2亿倍)条件下，仅需15分钟即可完成光谱重建。在持续监测过程中，实验场地三次遭遇4.7-4.9级地震，系统仍能正常运行。
研究人员表示，该技术有望在环境监测、工业检测和遥感测绘等领域实现应用，为大气痕量气体监测、量子光学精密测量等复杂应用场景提供全新解决方案。
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