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近日，華東師大研究團隊在Laser & Photonics Reviews雜志發(fā)表一項中紅外高速光譜探測領(lǐng)域的研究成果。團隊發(fā)展的中紅外上轉(zhuǎn)換光譜測量技術(shù)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(yīng)跟蹤等需要應(yīng)用高速靈敏紅外光譜測量的場景提供技術(shù)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(zhuǎn)能級躍遷的特征譜線，尤其是600-1400 cm^-1的光譜區(qū)域有大量分子指紋的重疊，稱為“指紋區(qū)域”或“光譜指紋”。因此中紅外光譜技術(shù)在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學治療以及基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

受到探測器靈敏度及寬帶光源亮度的限制，傳統(tǒng)中紅外光譜儀的性能在實際應(yīng)用中經(jīng)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(fā)展出了頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過非線性過程將中紅外波段轉(zhuǎn)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(xiàn)信號的靈敏捕獲。但是該技術(shù)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(gòu)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(zhuǎn)換光譜儀，從中紅外光源制備和中紅外光譜探測技術(shù)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(xù)譜光源，相對傳統(tǒng)熱輻射光源具有更好方向性、更優(yōu)光束質(zhì)量以及更高光譜亮度，且通過波導結(jié)構(gòu)色散調(diào)控與泵浦光場時頻控制，可以實現(xiàn)光譜覆蓋范圍以及光譜平坦度等參數(shù)的定制與優(yōu)化。此外，相對于基于固態(tài)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(xù)譜源可以直接兼容光纖激光，為發(fā)展高集成、高穩(wěn)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(xù)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(fā)展了同步脈沖泵浦的非線性頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，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(xiàn)了1700 nm超寬帶的中紅外高效轉(zhuǎn)換，然后借助高性能可見光/近紅外分光與探測器件，實現(xiàn)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(huán)境背景噪聲，研究人員結(jié)合高效空間濾波與光譜濾波技術(shù)，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(zhuǎn)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(xiàn)了高達212,500幀的光譜采集速率，比此前相關(guān)報道在相同信噪比下提高了至少一個數(shù)量級。

華東師大科研團隊在中紅外光譜測量技術(shù)的突破是我國儀器技術(shù)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(shù)，減少了對國外技術(shù)的依賴。

資料來源：華東師范大學

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