CN115356279A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
实现本发明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：
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；
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；
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。
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。
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|。
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
为信号光(闲频光圆频率)对中心频率ωs(i),0的偏差。
本发明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。
本发明与现有技术相比具有以下显著的技术效果和进步：
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。
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。
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。
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，同时规避了现有红外探测器件内禀暗噪声大、需要低温制冷运行等缺陷，结合现存单光子硅基探测器能够实现与闲频光子的符合计数，有利于实现超灵敏中红外光子探测。
附图说明
图1为本发明架构的光谱探测系统图；
图2为实施例1的光谱探测系统结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明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，中红外信号光子经过待测样品后通过宽带频率上转换方法被转换至可见/近红外波段，并被灵敏硅基探测器所探测。闲频光子经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。通过时间相关单光子计数(TCSPC)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红外波长信息与强度信息。
本发明通过自发参量下转换、宽带频率上转换，实现了宽波长范围非简并纠缠光子对的产生，宽带中红外光子的上转换及灵敏关联探测。结合时间拉伸技术，闲频光各波长成分于时域上分离，基于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。同时，系统引入的高色散量与可见/近红外探测器的低时间抖动特性确保了光谱探测的高分辨率。
所述啁啾极化结构的非线性晶体实现自发参量下转换，在固定波长的泵浦光下，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，该过程中满足下述(a)式表示的关系：
ωp＝ωs+ωi (a)。
其中，ωp、ωs和ωi分别为自发参量下转换泵浦光子、信号光子、闲频光子的圆频率。
因此，当后续探测得到闲频光波长信息，即可利用纠缠光子对频率关联特性反推得到信号光光谱信息。
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|。
所述通过时间相关单光子计数(TCSPC)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
为信号光(闲频光圆频率)对中心频率ωs(i),0的偏差。为校准所测信号/闲频光子频率与符合计数延时量的关系，通过在闲频光一路添加可调滤波器进行标定。通常来说，二阶Glauber相关函数与光子对到达探测器的时间关系可以由下述(b)式描述为：
其中，
为滤波频率对信号光中心圆频率ωs,0的偏差；β′i、β″i分别为频率为ωi的光子在色散介质中的一阶、二阶色散参数；l为色散介质长度。在针对该闲频光子滤波频率时，G(2)将只由延时差τ＝|t1-t2|决定。为进一步揭示G(2)与延时差τ的关系，关联光谱振幅函数
可以由下述(c)式描述为:
其中，σp表示泵浦光频谱宽度；σpm表示自发参量下转换相位匹配带宽。
假设可调滤波器频谱滤波宽度为σf，则G(2)可以由下述(d)式描述为：
通过上述(d)式，符合测量延时量
与闲频光子频率ωi的关系得以建立。当滤波频率设置为ωf时，群延时色散βf′将为确定值，即对于每一个闲频光子ωi，均有确定的延时量
探测光子频率将与符合测量延时量一一对应。通过设置不同的闲频光滤波频率，即可标定闲频光子频率ωi对应的符合测量延时量
探测信号光子频率由关系式ωs＝ωp-ωi得到。需要说明的是，在所拉伸的闲频光子频率范围内，一阶色散系数应保持单调递增/递减，否则对于某一延时量
将有多个对应的光子频率。由于本发明采用啁啾极化的非线性晶体实现自发参量下转换，频谱滤波宽度σf将远小于相位匹配带宽σpm，即σf＜＜σpm，此外，优选的，以单频连续激光器作为泵浦光源，其线宽通常在～100kHz量级，而可调滤波器滤波带宽在～10GHz量级，故认为σp＜＜σf，则该滤波频率下二阶关联函数半高全宽Δτ-,f可由下述(e)式描述为：
在闲频光子频率ωi—符合测量延时量
标定中，所测符合计数于时域上的分布即宽度为Δτ-,f的高斯形包络，通过高斯拟合得到包络中心位置作为该滤波频率下的延时量。由于本发明通过延时量标定波长/频率信息，时间不确定度将决定测量光谱分辨率。时间不确定度包含探测器时间抖动ΔτD-jit与TCSPC时间抖动ΔτTCSPC-jit，则符合计数包络测量时间不确定度由下述(f)式表示为：
经探测频率-延时量标定后，去除可调滤波器，此时σf＞＞σpm，二阶关联函数半高全宽为
则由时间不确定度Δτ-,obs可求得下述(g)式表示的探测光谱分辨率：
在符合测量过程中，信号频谱信息被映射至时域上，二阶关联函数宽度Δτ-于色散量β″il相关，对于固定的探测器及TCSPC测量时间抖动ΔτD-jit、ΔτTCSPC-jit，色散量越大，Δω越小，即光谱分辨率越高。因此，当引入的色散量足够大(即符合计数包络宽度达到100ns)，并采用现有可见/近红外波段低时间抖动探测器(时间抖动约为5ps)，对于3–5μm中红外波段，基于时间拉伸时频关联的中红外单光子光谱的分辨率可达到下述(h)式：
所述窄带泵浦光源为连续激光光源或脉冲光源，该条件下有σp≈σf或σp>σf，则滤波标定时二阶关联函数半高全宽Δτ-,f可由下述(i)式表示为：
此时，宽带泵浦不可避免引入符合测量延时量误差，进而影响中红外光谱分辨率。
所述宽带频率上转换实现中红外信号光子的波长转换，进而利用灵敏的单光子硅基探测器实现探测，通过对比有无样品时的光谱测量结果得到样品光谱吸收信息，在该过程中上转换探测系统对各波长的转换率、探测率因数据相除而不影响高光谱成像吸收率标定结果。
本发明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。
以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参阅图2，采用本发明架构的超灵敏中红外高光谱测量系统，包括：泵浦光源1、分束镜2、第一反射银镜3、第二反射银镜4、第一啁啾极化铌酸锂晶体5、a二向色镜6、第一滤波片7、待测样品8、第一平凸透镜9、b二向色镜10、第一凹透镜11、第二啁啾极化铌酸锂晶体12、第二凹透镜13、第二滤波片14、第二平凸透镜15、硅基单光子探测器16、第三滤波片17、第三反射银镜18、光束准直器19、色散介质20、光束准直器21、可调滤波器22、铟镓砷探测器23、时间相关单光子计数器24。
所述泵浦光源1为高功率1064nm连续光源，其输出功率能够达到10W。以该光源作为自发参量下转换与频率上转换泵浦光源，可以实现3-5μm波长范围内的中红外光子产生与转换。
所述分束镜2将泵浦光源1发出的光源进行分束，高功率泵浦光源用于实现中红外光子上转换，低功率泵浦光源用于实现自发参量下转换。
所述反射银镜3、4、18用于改变光路走向，反射银镜对红外波段的反射率大，损耗小。
所述第一啁啾极化铌酸锂晶体5为自发参量下转换非线性介质，用于产生3-5μm中红外光子，其极化周期涵盖25～32μm，啁啾极化步进长度为0.01mm，晶体尺寸为25mm(长)×3mm(宽)×1mm(厚)。
所述a二向色镜6将自发参量下转换产生的信号光子与闲频光子空间分离，该二向色镜为2μm长波通二向色镜，对3～5μm信号光透过，对1.35～1.65μm(6060～7407cm-1)闲频光反射。
所述第一滤波片7为2.4μm长通滤波片，该滤波片用于中红外光子滤波，滤除1064nm泵浦光、泵浦光上转换荧光、环境杂光等。
所述待测样品8(即被探测目标)为生物组织、肿瘤细胞或化学材料，该探测目标对不同波长的光吸收度不同，实验系统通过测量无样品、有样品时的符合计数结果，即可得到被探测目标对各个波长的吸收率。
所述第一平凸透镜9为CaF2透镜，目的在于将经过待测样品8的中红外光子聚焦到非线性频率上转换介质中，以实现高效的频率转换。该平凸透镜的焦距为50mm，透镜直径为50.8mm。
所述b二向色镜10将自发参量下转换产生的信号光子与高功率1064nm泵浦激光空间合束。该二向色镜为2μm长波通二向色镜，对3～5μm信号光透过，对1064nm泵浦光有较高反射率。
所述凹面镜11、13为CaF2透镜，目的在于使1064nm泵浦光源在腔内振荡增强，从而提高宽带频率上转换效率。CaF2透镜对3～5μm及0.7～0.9μm具有高透过率，对1064nm的反射率为97％。
所述第二啁啾极化铌酸锂晶体12为频率上转换非线性介质，用于将3～5μm中红外光子转换至可见/近红外波段，其极化周期涵盖19～24μm，啁啾极化步进长度为0.01mm，晶体尺寸为25mm(长)×3mm(宽)×1mm(厚)。
所述第二滤波片14为700～900nm带通滤波片，该滤波片用于上转换光子滤波，滤除1064nm泵浦光、泵浦光上转换荧光、环境杂光等。
所述第二平凸透镜15为CaF2透镜，目的在于将上转换产生的可见/近红外光子准直输出，便于后续探测。该平凸透镜的焦距为50mm，透镜直径为50.8mm。
所述硅基单光子探测器16对上转换产生的可见/近红外光子实现超灵敏单光子探测，其探测波长范围涵盖400～1100nm，探测器自身时间抖动低至50ps。
所述的第三滤波片17为近红外带通滤波片，其透过波长范围为1.3～1.7μm，该滤波片用于闲频光子滤波，滤除1064nm泵浦光、泵浦光上转换荧光、环境杂光等。
所述光束准直器19将空间闲频光束耦合进入色散光纤，便于时间拉伸。
所述色散介质20为色散光纤、棱镜或光栅等，实现闲频光子各波长成分于时域上分离。通讯波段传输光纤发展十分成熟，且对近红外波段传输损耗低，故作为优选方案。实施例采用25km色散位移光纤作为色散介质，其零色散点在1310nm，于1550nm附近有较大的正色散，色散系数为18ps/(nm·km)。通过长距离时间拉伸，闲频光子各波长最大延时差达到约100ns。
所述光束准直器21将经色散光纤传输后的闲频光子空间准直输出，便于后续光谱校准与关联光谱测量。
所述可调滤波器22在于校准标定符合计数测量中闲频光子频率与延时差的关系，其自身引入延时量为定值，经光谱标定后，该器件将从探测系统中去除。其可调波长范围为1.35～1.65μm。
所述铟镓砷探测器23在于对时间拉伸后的闲频光子实现超灵敏探测，其探测波长范围为900～1700nm，探测器自身时间抖动低至50ps。
所述时间相关单光子计数器24在于记录探测光子在时域上的时间分布，进而获得稀疏纠缠光子对的有效探测，通过符合计数实现对待测样品8红外光谱的关联探测。其记录的光子分布时间通道宽度最小达1ps，探测时间窗口能够达到200ns，因此光谱分辨率不受该模块，即时间相关单光子计数器2限制。
超灵敏中红外高光谱探测的具体实施过程如下：
1)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。具体地说，泵浦光源1经空间功率分束，低功率部分参与自发参量下转换，经第一啁啾极化铌酸锂晶体5产生3～5μm中红外信号光子与1.35～1.65μm(6060～7407cm-1)近红外闲频光子，并由a二向色镜6实现光束空间分离。信号光子与闲频光子为纠缠光子对，其波长频率关系为ωp＝ωs+ωi，ωp为确定值281.76THz，因此，当探测得到闲频光子波长信息即可反推得到信号光子波长信息。
本实施例中探测信号波长为3～5μm，自发参量下转换产生的待拉伸闲频光波长范围约为1350～1650nm。采用的色散位移光纤，其零色散点位于1310nm，在闲频光波长范围内单调递增，于1550nm处具有较大的正色散，故标定过程中闲频光子频率ωi与符合测量延时量
一一对应。
2)中红外信号光子经过待测样品8后通过宽带频率上转换方法被转换至可见/近红外波段，并被灵敏硅基单光子探测器16所探测。具体地说，中红外信号光子经过滤波片7滤除1064nm泵浦光、泵浦光上转换荧光、环境杂光，并通过待测样品8获取样品光谱信息。携带样品光谱信息的中红外稀疏光子经第一平凸透镜9聚焦并通过b二向色镜10与高功率1064nm泵浦光源1空间合束进入第二啁啾极化铌酸锂晶体12中。为使宽带频率上转换过程具有更高的转换效率，通过凹面腔镜11、13使泵浦光来回振荡形成谐振腔。其中，第二啁啾极化的铌酸锂晶体12的温度设置在30℃，所用的平凸透镜9、15均为CaF2透镜，对中红外波段具有>95％的透过率。非线性频率上转换过程产生可见/近红外信号光经第二滤波片14滤除杂光，由第二平凸透镜15进行空间准直进入硅基单光子探测器16。
同时，闲频光子经色散介质(色散位移光纤)20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23所探测。具体地说，近红外闲频光子经第三滤光片17滤除杂光，由光束准直器19耦合进入80km色散位移光纤20。通过长距离时间拉伸，闲频光子各波长最大延时差达到约100ns，波长范围为6060～7407cm-1，即闲频光在时域上的分离量为13.47cm-1/ns。而后，闲频光子经光束准直器21空间准直输出，被灵敏的铟镓砷探测器23所探测。
3)通过时间相关单光子计数模块24实现关联光谱测量，两路信号延时量及符合计数分别反应红外波长信息与强度信息。具体地说，在时间相关单光子计数模块24中以铟镓砷探测器23的电信号作为起始触发，以硅基单光子探测器16的电信号作为终止触发，则符合计数的延时量与闲频光子的波长关系为t(ωi)＝a+β′i(ωi)l，a为两路延时差。通过在闲频光时间拉伸后加入可调滤波器22实现对延时量-对应波长的标定，可调滤波器22自身引入的延时量a′可提前测得，此时的延时量为t(ωi)＝a+a′+β′i(ωi)l。通过设置可调滤波器22不同的滤波波长，由时间相关单光子计数24测得对应延时量t。依照所测数据得到t与ωi的对应关系。当延时量-波长关系标定完成即可去除可调滤波器。此时，通过分别测量有无样品符合计数时域分布结果，即可得到样品的中红外吸收谱。
本实施例结合啁啾极化结构的非线性晶体实现自发参量下转换，实现了宽波长范围非简并纠缠光子对产生，中红外光谱探测范围涵盖3-5μm。所采用的宽带频率上转换技术将中红外光子转换至可见/近红外波段，充分利用了现有的单光子硅基探测器，能够实现单光子灵敏度的光谱测量结果。得益于时间拉伸技术，闲频光各波长成分于时域上分离，分离量达到13.47cm-1nm/ns。结合低时间抖动铟镓砷探测器(抖动量约为5ps)，关联光谱探测分辨率达到0.1cm-1。此外，闲频光子经过时间拉伸后即被探测器所探测，以符合计数延时量表征波长信息，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，能够实现高通量中红外光子探测。进一步地，若通过优化滤波效率、转换效率并结合时间关联去噪算法，该实施例光谱探测灵敏度将极大提升。基于本发明方法实现的中红外单光子光谱探测系统兼具宽波长、高分辨率、高灵敏、高通量等优势。
以上仅为本发明的一种具体实施方式，并非用以限制本发明，上述实施例对本发明进行了详细的说明，未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围，对于不脱离本发明构思前提下做出的变形与改进，都属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (4)
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子在时域上分离。
3.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，其特征在于所述窄带泵浦光源为连续激光或脉冲激光光源。
4.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，其特征在于所述符合计数的延时量与闲频光子的波长关系由下述(j)式表示为：
t(ωi)＝a+β′i(ωi)l (j)；
其中，t(ωi)为频率为ωi的闲频光子符合测量延时量；a为除拉伸色散介质外两路延时差；ωi为闲频光子频率；β′i为一阶色散参量；l为色散介质长度。
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| CN117132504B (zh) * | 2023-10-20 | 2024-01-30 | 武汉怡特环保科技有限公司 | 基于单光子光谱计数技术成像去除干扰的方法 |
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