一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法，其特点是该方法具体包括：1）啁啾极化结构的非线性晶体实现自发参量下转换，在宽波段范围内产生非简并纠缠光子对；2）中红外信号光子经待测样品后通过宽带频率上转换过程被转换至可见/近红外波段，并被灵敏硅基探测器所探测；3）闲频光子经时间拉伸实现不同波长光子在时域上的分离后被铟镓砷探测器所探测；4）通过时间相关单光子计数模块实现关联光谱测量，两路信号延时量及符合计数分别反应中红外波长信息与强度信息等步骤。本发明专利技术与现有技术相比具有超灵敏、高通量、宽波长、高分辨等优势，大幅提升光谱探测信噪比，有利于实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱探测。光谱探测。光谱探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法


[0001]本专利技术涉及高光谱成像
，尤其涉及一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法。

技术介绍

[0002]中红外波段包含许多重要分子的振
‑
转能级跃迁特征谱线，位于分子的“指纹”光谱区，是识别和分析材料的重要区域。中红外光谱技术一直是大量分析应用的关键技术，其适用于各种材料，包括气体、聚合物、生物组织等，许多应用场景对基于中红外微弱信号实现灵敏探测与成像都有着迫切需求。例如，在生物组织成像中，为了降低探测信号对样品的光毒性，通常需要在极低辐照功率下对活细胞探测分析；在中红外遥感探测中，为了抵御不良气象对信号光子的吸收，提高观测全时性，通常需要在极低的信噪比条件下获取有效信息；在红外雷达形貌测量中，为了实现长距离有效勘探，通常需要利用极弱回波信号构建点云图。发展超灵敏中红外单光子检测技术一直以来都是国际研究热点，其具备的非破坏性、弱光毒性等优势为医学诊断、环境勘探、生物组织检测等应用提供有力支撑。
[0003]目前，中红外光谱检测技术受红外探测器件与分光方式的限制，面临着提升探测灵敏度、增强光谱分辨率等亟待解决的难题。一方面，用于中红外波段的探测器主要基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)等窄带半导体材料实现，通常存在较为严重的暗电流与热噪声。尽管，随着材料自身特性及制备工艺的不断成熟，其性能得到了长足进步，低温制冷能够有效提升探测灵敏度(亚纳瓦水平)，但实现单光子水平的超灵敏中红外探测仍极具挑战。另一方面，红外光谱信息的获取一般依赖光栅、棱镜等分光器件结合扫描装置实现，光栅刻线数的选择及光谱扫描速度制约着光谱分辨率与探测信噪比。通过使用红外面阵探测器可以实现一次性获取空间分离的光谱信息，但现有的中红外面阵探测器像素数目少、像元尺寸大、内禀噪声大，严重制约中红外光谱探测分辨率与灵敏度。傅里叶变换红外光谱技术可以通过扫描长程干涉臂来获取更高的光谱分辨率(～1
‑
4cm
‑1)，但其往往以牺牲扫描速率、扩大系统体积为代价。可见，为了实现超灵敏、高分辨的中红外光谱探测，势必需要发展新型的红外光谱分光手段与红外光谱探测技术。
[0004]此外，如何在复杂噪声环境中有效提取信号是超灵敏中红外光谱检测技术的另一亟待解决的难题。在复杂噪声环境中，红外信号光子容易湮没于背景噪声，无法实现有效识别与提取。尽管可以通过增加照明光的强度以提升信噪比，但对于光敏生物样品，传统光谱检测技术面临一个关键难题：较大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。近年来，量子关联探测技术为超灵敏中红外光谱检测提供了一个新思路，其通过纠缠光子对时频关联特性实现光谱测量，有效抑制与照明光源无关的统计噪声，尤其适用于极弱光中红外光谱探测。
[0005]现有技术的中红外光谱检测依赖窄带滤波器件逐步扫描记录信号光子和闲频光子之间的一致性以获得红外光谱信息，不仅制约了成谱速度，且需以牺牲光通量为代价，阻碍了其推向更广泛的应用。因此，如何基于量子关联探测技术实现中红外波段超灵敏、高通量的光谱探测仍颇具挑战。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法，采用基于啁啾极化结构的非线性晶体，实现自发参量下转换，在宽波段范围内产生非简并纠缠光子对，结合宽带频率上转换方法，充分利用超灵敏硅基探测器，结合量子关联探测，进一步滤除背景噪声，提取红外信号；通过时间拉伸使不同波长闲频光子在时域上分离，实现了从测量波长到测量时间的转变，结合低时间抖动探测器能够有效提升光谱分辨率，且无需牺牲光通量，具有超灵敏、高通量、宽波长、高分辨等优势，大幅提升光谱探测信噪比，有利于实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱探测，方法简便，具有广泛的应用前景。
[0007]实现本专利技术目的具体技术方案是：一种基于拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法，其特点是利用非简并纠缠光子对时频关联探测和宽带频率转换，通过测量时间的差异推算闲频光/信号光的光谱信息，实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱探测，具体包括下述步骤：
[0008]步骤1：利用啁啾极化结构的非线性晶体，在窄带泵浦下实现自发参量下转换，在宽波段范围内产生信号光子与闲频光子的非简并纠缠光子对；
[0009]步骤2：中红外信号光子经待成像物体获取光谱信息，通过宽带频率上转换技术将波长转换至可见/近红外波段，并被硅基探测器所探测；
[0010]步骤3：闲频光子经色散元件的时间拉伸，实现不同波长光子在时域上的分离，而后被铟镓砷探测器所探测；
[0011]步骤4：采用时间相关单光子计数模块实现关联光谱测量，其两路信号延时量及符合计数则分别反应中红外波长与强度信息。
[0012]所述啁啾极化结构的非线性晶体实现自发参量下转换，在窄带泵浦下，啁啾极化结构相较于周期性极化结构拥有更大的相位匹配带宽，利于产生宽波长范围的非简并纠缠光子对。
[0013]所述时间拉伸使各波长闲频近红外光子在时域上分离开，假设时间拉伸模块中色散元件引入大量色散，信号光子、闲频光子到达时间相关单光子计数模块的时间分别为t1、t2，则符合测量中两路光子延时差为τ＝|t1‑
t2|。
[0014]所述时间相关单光子计数模块实现关联光谱测量，假设纠缠光子对关联光谱振幅函数为函数为为信号光(闲频光圆频率)对中心频率ω
s(i),0
的偏差。
[0015]本专利技术通过测量时间的差异推算出闲频光/信号光的光谱信息，实现了从测量波长到测量时间的转变，可极大提升光谱分辨力，且无需牺牲光通量。同时，利用纠缠光子对时频关联特性，于时域上有效抑制与照明光源无关的统计噪声，大幅提升光谱探测信噪比，有利于实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱探测，两路信号的相对延时差及符合计数量分别反应红外波长信息与强度信息。
[0016]本专利技术与现有技术相比具有以下显著的技术效果和进步：
[0017]1)采用量子关联探测方法，基于纠缠光子对时频关联特性实现中红外光子光谱探测，于时域上有效抑制与照明光源无关的统计噪声，大幅提升光谱探测信噪比，有利于实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱探测。
[0018]2)利用时间拉伸技术，实现了从测量波长到测量时间的转变，以符合计数延时量
表征波长信息，相较于传统纠缠光子对光谱探测方案，无需经过可调滤波器，免除了信息光子的丢失与长时扫描过程，有利于实现高通量中红外光子探测。
[0019]3)利用时间拉伸技术将闲频光子各波长成分于时域上分离，通过测量时间的差异获得闲频光子光谱信息，结合现有低时间抖动单光子探测器(～5ps)，可极大提升光谱分辨能力(～0.1cm
‑1)，有利于实现高分辨中红外光子探测。
[0020]4)采用基于啁啾极化非线性晶体的宽带频率转换技术拓展相位匹配带宽，能够实现3
‑
5μm波长范围内的中红外光子产生与转换，同时规避了现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法，其特征在于利用非简并纠缠光子对时频关联特性，通过测量时间的差异推算探测闲频光/信号光的光谱信息，具体包括下述步骤：步骤1：利用啁啾极化结构的非线性晶体，在窄带泵浦下实现自发参量下转换，在宽波段范围内产生信号光子与闲频光子的非简并纠缠光子对；步骤2：中红外信号光子经待成像物体获取光谱信息，通过宽带频率上被转换至可见/近红外波段，并被硅基探测器所探测；步骤3：闲频光子经色散介质的时间拉伸，实现不同波长光子在时域上的分离后被铟镓砷探测器所探测；步骤4：采用时间相关单光子计数模块实现关联光谱测量，其两路信号延时量及符合计数则分别反应中红外波长与强度信息。2.根据权利要求1所述的基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱探测方法，其特征在于所述色散介质为色散光纤、棱镜或光栅，使各波长闲频近红外光...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄坤，曾和平，方迦南，
申请(专利权)人：华东师范大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：