量子关联增强型中红外双光梳光谱技术突破分子指纹检测极限

本研究针对中红外双光梳光谱(DCS)在分子指纹检测中面临的光源带宽限制与信噪比(SNR)瓶颈问题，创新性地提出量子关联增强技术。通过结合上转换探测与强度差压缩(IDS)方案，实现了3-μm波段2-dB的超散粒噪声极限灵敏度提升，为痕量气体检测和芯片级光谱分析提供了新范式。该成果发表于《eLight》，标志着量子光学与频率梳技术的深度融合迈出关键一步。

　　

在分子光谱检测领域，中红外波段因其覆盖众多分子振动能级而被称为"指纹区"，但传统检测技术面临两大困境：一方面，基于可调谐激光的光谱方法扫描速度慢；另一方面，宽带检测的双光梳光谱(DCS)又受限于中红外频段光源与探测器性能。常规DCS在近红外区域已趋成熟，但将其拓展至2.6-5.2μm的中红外区域时，非线性转换效率低、探测器噪声大等问题导致信噪比急剧恶化。Zhuoren Wan团队在《eLight》发表的突破性研究，通过量子光学手段为这一困境提供了创新解决方案。

研究团队采用三项核心技术：1）基于高非线性光纤(HNLF)的种子四波混频(SFWM)产生量子关联双光梳；2）周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体实现中红外至近红外上转换探测；3）强度差压缩(IDS)技术抑制共模噪声。通过这种"量子赋能"的创新架构，在保持3μm波段高分辨率的同时突破经典探测极限。

研究结果首先展示量子光源制备环节，通过将电光梳与泵浦梳注入非线性光纤，同步产生放大本地梳及其闲频梳，二者具有强度反关联特性。在探测环节，携带分子吸收信息的弱功率中红外信号梳与本地梳作用生成干涉图(IGMs)，同时利用闲频梳的噪声信号进行实时抵消。实验数据显示，该方案在甲烷C-H键特征吸收峰(3.3μm)处实现2.1-dB的信噪比提升，单次测量动态范围达45dB。通过对比传统DCS与量子增强方案的 Allan方差曲线，证实后者平均时间缩短60%时仍保持同等灵敏度。

在系统验证方面，研究人员构建了包含双光梳重复频率(f₁,f₂)锁相、载波频率(v₁-v₄)精密调控的闭环控制系统。特别值得注意的是，通过优化周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体的准相位匹配条件，上转换效率提升至38%，显著优于同类报道水平。二向色镜(DM)与光学耦合器(OC)的级联设计则确保量子关联特性的无损传递。

该研究的核心突破在于将量子资源与传统光谱技术深度融合：强度差压缩技术将本地振荡器的噪声抑制8.7dB，而双光梳的相干性保持时间突破微秒量级。这种量子增强型架构为芯片化DCS的发展扫清关键障碍，当与人工智能(AI)波长解调算法结合时，可在5ms内完成全光谱解析，满足动态过程监测需求。研究团队进一步指出，该技术框架可拓展至太赫兹波段，为大气遥感、燃烧诊断等领域提供新工具。

这项由GW和HY共同撰写的里程碑式工作，标志着光谱检测技术从经典域向量子域的范式转变。其创新价值不仅体现在2-dB的超噪声极限突破，更开创了"量子频率梳计量学"这一交叉学科方向。随着集成纳米光子学技术的发展，这种量子增强方案有望推动DCS系统进入手持设备时代，实现从实验室到工业现场的跨越式应用。