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華東師大突破光譜測量量子噪聲極限 實現中紅外量子增強光梳光譜
2025年08月13日 11:29:23
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：377
華東師范大學團隊突破雙光梳光譜技術量子噪聲限制，首創量子關聯增強雙光梳光譜技術（QC-DCS），為痕量分析、環境監測等領域提供新方案。成果發表于《Light: Science & Applications》。
華東師范大學在量子精密測量領域取得重大突破。該校曾和平教授與閆明研究員團隊成功開發出“量子關聯增強雙光梳光譜技術”(QC-DCS)，首次實現中紅外波段量子增強的光梳光譜測量，突破傳統雙光梳光譜技術的散粒噪聲極限，顯著提升了光譜測量的信噪比與速度。該成果發表于國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》。
雙光梳光譜技術(DCS)利用兩束頻率梳進行高速、高分辨寬帶光譜測量，無需機械掃描。然而，傳統DCS技術受限于相干態光梳的量子噪聲(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挑戰。
華東師大研究團隊創新性地利用一對通過四波混頻過程產生的“孿生”強度關聯光梳。其中一束光梳與待測信號光結合，另一束則作為量子噪聲的關聯參考。通過平衡探測器對兩路信號進行相減處理，有效抑制了雙光梳信號中的散粒噪聲。實驗數據顯示，在1-4 MHz帶寬內平均實現了2 dB的噪聲抑制(在2 MHz處最高達2.7 dB)，相當于在相同信噪比要求下將光譜測量速度提高了2.6倍。團隊指出，若采用量子效率98%的探測器(當前為84%)，噪聲抑制水平有望提升至6.5 dB。
該技術的另一關鍵創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換至1.5 μm的近紅外波段，規避了中紅外探測器性能受限的問題；同時，其創新性的光路設計(合束損耗小于1%)最大程度地保留了關聯光梳的量子特性，使量子增強效果得以實現。
與現有基于量子光源的調諧光譜技術相比，QC-DCS技術展現出顯著優勢。它結合頻率上轉換，實現了中紅外2870-2965 cm?¹(約3 THz)寬帶光譜測量，覆蓋甲烷、乙炔等碳氫化合物的關鍵指紋譜區；可一次性同時對超過200根光梳梳齒進行高通量并行測量；光譜分辨率達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。
這項量子關聯增強雙光梳光譜技術成功突破了傳統DCS的量子噪聲極限，在重要的3 μm分子指紋區域實現了高分辨光譜測量。該技術為精密光譜分析、痕量氣體檢測(如環境監測)、燃燒過程診斷、生物醫學分析及化學研究等領域提供了更強大的工具，展現出巨大的應用潛力。未來，隨著探測器效率的提升和納米光子集成技術的發展，該技術的性能和適用性有望得到進一步增強。
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