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華東師大突破光譜測量量子噪聲極限 實現(xiàn)中紅外量子增強(qiáng)光梳光譜
2025年08月13日 11:29:23
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：291
華東師范大學(xué)團(tuán)隊突破雙光梳光譜技術(shù)量子噪聲限制，首創(chuàng)量子關(guān)聯(lián)增強(qiáng)雙光梳光譜技術(shù)（QC-DCS），為痕量分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供新方案。成果發(fā)表于《Light: Science & Applications》。
華東師范大學(xué)在量子精密測量領(lǐng)域取得重大突破。該校曾和平教授與閆明研究員團(tuán)隊成功開發(fā)出“量子關(guān)聯(lián)增強(qiáng)雙光梳光譜技術(shù)”(QC-DCS)，首次實現(xiàn)中紅外波段量子增強(qiáng)的光梳光譜測量，突破傳統(tǒng)雙光梳光譜技術(shù)的散粒噪聲極限，顯著提升了光譜測量的信噪比與速度。該成果發(fā)表于國際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》。
雙光梳光譜技術(shù)(DCS)利用兩束頻率梳進(jìn)行高速、高分辨寬帶光譜測量，無需機(jī)械掃描。然而，傳統(tǒng)DCS技術(shù)受限于相干態(tài)光梳的量子噪聲(散粒噪聲)，在探測微弱信號時面臨靈敏度極限。量子光源雖在突破經(jīng)典噪聲極限方面潛力巨大，但其與DCS的有效融合一直存在技術(shù)挑戰(zhàn)。
華東師大研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地利用一對通過四波混頻過程產(chǎn)生的“孿生”強(qiáng)度關(guān)聯(lián)光梳。其中一束光梳與待測信號光結(jié)合，另一束則作為量子噪聲的關(guān)聯(lián)參考。通過平衡探測器對兩路信號進(jìn)行相減處理，有效抑制了雙光梳信號中的散粒噪聲。實驗數(shù)據(jù)顯示，在1-4 MHz帶寬內(nèi)平均實現(xiàn)了2 dB的噪聲抑制(在2 MHz處最高達(dá)2.7 dB)，相當(dāng)于在相同信噪比要求下將光譜測量速度提高了2.6倍。團(tuán)隊指出，若采用量子效率98%的探測器(當(dāng)前為84%)，噪聲抑制水平有望提升至6.5 dB。
該技術(shù)的另一關(guān)鍵創(chuàng)新在于利用周期性極化鈮酸鋰晶體(PPLN)同時攻克了兩大技術(shù)難題：成功將中心波長為3.3 μm的中紅外信號光通過頻率上轉(zhuǎn)換至1.5 μm的近紅外波段，規(guī)避了中紅外探測器性能受限的問題；同時，其創(chuàng)新性的光路設(shè)計(合束損耗小于1%)最大程度地保留了關(guān)聯(lián)光梳的量子特性，使量子增強(qiáng)效果得以實現(xiàn)。
與現(xiàn)有基于量子光源的調(diào)諧光譜技術(shù)相比，QC-DCS技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。它結(jié)合頻率上轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了中紅外2870-2965 cm?¹(約3 THz)寬帶光譜測量，覆蓋甲烷、乙炔等碳?xì)浠衔锏年P(guān)鍵指紋譜區(qū)；可一次性同時對超過200根光梳梳齒進(jìn)行高通量并行測量；光譜分辨率達(dá)7.5 pm，梳齒頻率精度可溯源至超窄線寬激光器和氫原子鐘。
這項量子關(guān)聯(lián)增強(qiáng)雙光梳光譜技術(shù)成功突破了傳統(tǒng)DCS的量子噪聲極限，在重要的3 μm分子指紋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高分辨光譜測量。該技術(shù)為精密光譜分析、痕量氣體檢測(如環(huán)境監(jiān)測)、燃燒過程診斷、生物醫(yī)學(xué)分析及化學(xué)研究等領(lǐng)域提供了更強(qiáng)大的工具，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。未來，隨著探測器效率的提升和納米光子集成技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)的性能和適用性有望得到進(jìn)一步增強(qiáng)。
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