宽带光子计数双梳光谱技术实现阿托瓦级灵敏度与湍流光路稳定性突破

为解决传统双梳光谱(DCS)在极弱光探测与湍流光路下的稳定性难题，研究人员提出了一种基于共模传感与触发式光子计数协议的新方法，实现了20 nm宽带、阿托瓦级(4 aW/comb-line)灵敏度的HCN光谱测量，并在3.3 km开放光路中成功监测CO2、H2O和HDO浓度。该技术为大气遥感、量子计量等领域提供了高稳定性、高灵敏度的解决方案。

　　

在精密光谱学领域，双梳光谱（Dual-Comb Spectroscopy, DCS）技术凭借其高分辨率、宽光谱覆盖和无需机械扫描的特性，已成为气体检测、大气遥感和量子计量等领域的重要工具。然而，传统DCS技术在探测灵敏度方面存在显著局限，尤其在光功率极低（如阿托瓦级别）或光路不稳定的场景中（如开放大气、流动水体），其性能会大幅下降。更棘手的是，实际应用中不可避免的光路波动（如光纤漂移、大气湍流）会引入随机相位噪声，导致干涉信号失真，使得长期稳定的测量难以实现。

光子计数型双梳光谱技术通过单光子探测器（Single-Photon Detector, SPD）捕捉稀疏的光子“点击”序列，通过统计重建宽带光谱信息，理论上能够突破传统探测器的灵敏度限制。然而，该技术同样面临两大挑战：一是现有单光子探测器（如InGaAs-SPADs）在计数率和暗计数方面的性能限制；二是光学路径的随机波动会破坏干涉信号的相位稳定性，尤其在需要长时间累积的极弱光条件下，这一问题尤为突出。

为解决这些难题，中国科学技术大学的研究团队在《Light-Science & Applications》上发表了一项突破性研究，提出了一种基于共模传感配置和触发式光子计数协议的新方法，成功实现了在强烈光路波动下的阿托瓦级灵敏度双梳光谱测量，并首次演示了长达3.3 km的开放光路大气痕量气体监测。

研究团队采用了一套全光纤双梳光谱系统，主要包括两个重复频率差为Δf_r的光学频率梳（OFCs）、共模干涉光路设计、InGaAs单光子探测器（SPD）以及时间数字转换器（TDC）。系统通过将参考光路的干涉信号作为触发信号，同步校正传感光路的相位波动，从而抑制了内部和外部光路漂移的影响。此外，通过分段并行检测（Segmented Parallel Detection）技术，将宽带光谱分割为多个子带同时探测，显著提高了检测效率。

原理设计：共模干涉与触发协议抑制光路噪声

研究团队从量子光学角度推导了双梳单光子干涉模型（公式(1)和(2)），发现两个输出端口（c和d）的干涉信号受到相同的随机相位抖动（由Δr、r_a和Ω等因素引起）。利用这一共性，他们将端口c的经典干涉信号作为触发信号，用于同步端口d的光子计数过程，从而抵消了绝大部分相位噪声。剩余波动（如r_c-r_d）引起的时间延迟远小于统计时间分辨率，因此可忽略不计。

阿托瓦级宽带光谱测量：克服强烈光路扰动

在模拟强烈光路波动的实验中（通过移动镜引入48 mm往返抖动），研究团队使用10 nm平顶滤波器和InGaAs SPD，以平均每梳线4 aW的极低功率（总探测功率50 fW）对H₁₃C₁₄N的2ν₃吸收带进行测量。经过10小时累积，获得了1528–1538 nm和1548–1558 nm波段的透射光谱，清晰呈现出P支和R支吸收线（图3a）。通过改用1.8 nm高斯滤波器提高计数率，进一步获得了梳线分辨率（140 Hz线宽）的干涉图（图3b–d），且信噪比（SNR）符合散粒噪声极限。

开放光路遥感：93 dB衰减下的长时大气监测

研究团队在合肥市区部署了一套3.3 km开放光路双梳系统，克服了交通振动、建筑物遮挡和午后阳光直射等复杂环境因素。通过分段并行检测（两个通道中心波长1571.5 nm和1573 nm），在93 dB衰减条件下成功监测了CO₂、H₂O和HDO的吸收光谱（图5a）。连续20小时的观测数据显示，系统能够以15分钟分辨率反演气体浓度变化（图5b–c），即便在望远镜效率波动和SPD饱和的情况下仍保持良好一致性。

讨论与展望：技术优势与应用潜力

本研究通过共模触发协议解决了光子计数DCS的长期稳定性问题，实现了散粒噪声极限的灵敏度（表S1），克服了传统DCS因相对强度噪声（RIN）和探测器动态范围限制难以达到的理论灵敏度极限。尽管当前系统依赖腔稳激光器作为光学参考，但通过“自举”频率参考方案（bootstrapped referencing）可进一步实现系统的小型化和场域部署。

该技术为远程大气监测网络提供了实用化解决方案，未来有望支持百公里级开放光路探测（甚至地卫星链路），在非合作目标探测、极端环境下的痕量气体量化等领域具有广泛应用前景。

研究结论表明，基于共模传感和触发式光子计数的双梳光谱技术，不仅突破了传统灵敏度极限，更在复杂环境下实现了高稳定性、高分辨率的光谱探测，为精密光谱学在大气科学、环境监测和量子计量等领域的应用开辟了新的可能性。