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新方法突破探测器物理限制 实现单光子级高分辨光谱测量
2026年08月11日 15:02:35
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：4285
华东师范大学研究团队提出一种单光子时间拉伸计算鬼光谱新方法，将色散时域映射与计算重建相结合，无需高速探测器即可在极弱光条件下实现高保真、高速率的光谱测量。
近日，华东师范大学精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授、黄坤教授团队在计算光谱测量领域取得重要进展。他们提出了一种单光子时间拉伸计算光谱新方法，通过将色散傅里叶变换、可编程时间编码与计算鬼光谱相结合，有效突破了传统时间拉伸光谱中探测器带宽和时间抖动的根本性限制。相关成果以《Single-photon time-stretch computational ghost spectroscopy》为题发表于国际学术期刊《Advanced Photonics》。
时间拉伸光谱技术可将不同波长的光谱信息映射到不同的时间位置，只需单像素探测器即可实现单次曝光高速测量，在捕获非重复瞬态事件方面具有独特优势。然而，其性能长期受制于高速电子学的需求。由于必须直接采集拉伸后的高速时域波形，系统的光谱分辨率、可分辨通道数乃至整体复杂度，均被探测与采集系统的电子带宽所限定。当进一步拓展至单光子探测时，红外单光子探测器固有的时间抖动会显著降低光谱保真度，成为制约单光子时间拉伸光谱性能的瓶颈。
为应对这些挑战，研究团队将时域计算鬼光谱的思路引入时间拉伸光谱系统。新方案首先利用群速度色散将光谱信息映射到时域，随后对拉伸信号施加可编程的结构化时间编码，并用低带宽探测器记录下每次编码对应的总积分信号。最终，结合预先校准的波长—时间映射关系，通过关联计算重建出原始光谱。这一设计将原本依赖“高速探测”的系统性能，转移到了“调制编码与计算重建”环节，无需直接采集高速波形，在保证高保真重构的前提下，大幅降低了对高速探测器的要求。
实验结果表明，该方法在近红外波段实现了覆盖1530—1590纳米、具备450个可分辨通道的光谱测量。通过进一步结合压缩感知技术，系统在低于奈奎斯特的采样率下即可实现准确的光谱恢复，从而将光谱采集速率提升至210千赫兹。在验证实验中，研究团队利用该系统实时监测了可编程光学滤波器液晶元件的瞬态切换过程，清晰记录了多个窄带光谱通道的动态演化，展示了对高速瞬态光谱事件的捕获能力。
在单光子探测条件下，计算重构的优势更为突出。传统时间拉伸方法中，铟镓砷单光子探测器约270皮秒的时间抖动会使光谱严重退化。该研究显示，即便在每脉冲平均仅0.01个光子的极弱光照条件下，计算重构依然能够有效抑制这一时间抖动带来的退化，成功恢复出0.2纳米宽的窄带光谱特征，充分验证了该方法对弱光及单光子场景的出色适应性与抗噪能力。
研究团队表示，该工作为时间拉伸光谱建立了计算增强的新范式，从架构层面缓解了探测器带宽和时间抖动的物理限制，显著提升了弱光光谱重构能力。未来，通过高速时域调制、优化色散设计以及智能重建算法等途径，这一方法的性能有望进一步提升，并可借助非线性频率上转换拓展至中红外、太赫兹等波段，与单像素成像、高光谱成像等技术融合，为超快动力学研究、弱光光谱探测和多维光谱感知等领域提供更坚实的技术支撑。
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