光譜學(xué)主要研究光和物質(zhì)之間的相互作用與波長之間的關(guān)系,廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)的各個(gè)方面。傳統(tǒng)的光譜儀都需要一些色散或干涉元件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備困難、價(jià)格比較昂貴,而且光譜通道數(shù)有限。另一方面,單光子探測器的研究近年來也十分受到重視,尤其是超導(dǎo)納米線單光子探測器 ( SNSPD ) 是一個(gè)很有前途的選擇,其光譜響應(yīng)范圍寬(從紫外線到中紅外)、量子效率高、時(shí)間抖動(dòng)小、計(jì)數(shù)速率高、暗計(jì)數(shù)低,還可以與納米光電路實(shí)現(xiàn)片上集成。但是,到目前為止,單光子探測器僅用來記錄光子的有無和多少,并沒有關(guān)心入射光子的波長特性。
圖1 超導(dǎo)納米線單探測器光譜儀概念圖
南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)首次在兩者的結(jié)合上取得突破,他們利用超導(dǎo)納米線單光子探測器固有的非線性光譜調(diào)制特性,結(jié)合計(jì)算光譜儀方法,實(shí)現(xiàn)了單探測器光譜儀( single-detector spectrometer, SDS )。這是一種最簡化的光譜儀,擺脫了對光學(xué)分光器件的需求,通過編程探測器測量過程并結(jié)合計(jì)算重構(gòu)算法,就能夠?qū)θ肷涔庾V進(jìn)行分辨。實(shí)驗(yàn)演示了從 660nm 至 1900nm 的寬帶測量能力,并在通信波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 10nm 的光譜分辨率。同時(shí),該團(tuán)隊(duì)還將激光雷達(dá)同單探測器光譜儀結(jié)合,演示了多光譜激光雷達(dá)功能。
圖2 將超導(dǎo)納米線單探測器光譜儀方法應(yīng)用至多光譜單光子激光雷達(dá),在獲得三維圖像的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了觀測目標(biāo)的光譜測量。
該工作為開啟 SNSPD 在光譜測量中的應(yīng)用提供了一條新的實(shí)現(xiàn)途徑。相關(guān)研究工作以“ A single-detector spectrometer using a superconducting nanowire” 為題發(fā)表在國際著名期刊《 Nano Letters 》 (Impact factor: 11.189 ) 上 [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393] 。審稿人稱這是一個(gè)將 SNSPD 內(nèi)稟特性進(jìn)行應(yīng)用的巧妙工作 (“This is a very clever application of the SNPSD's intrinsic current-bias vs responsivity curve to extract additional information from incoming photons.”) 。光譜儀的靈敏度主要取決于其中的探測器。結(jié)合高性能的 SNSPD ,這種光譜儀將在極端弱光環(huán)境下發(fā)揮著重要的作用,例如生物熒光成像、激光光譜雷達(dá)和天文觀測。
南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生孔令東為文章第一作,趙清源教授和陳健教授為論文的通訊作者。涂學(xué)湊高工、張蠟寶教授、賈小氫教授和康琳教授協(xié)助探測器方面的制備,物理學(xué)院吳興龍教授給予論文修改和數(shù)據(jù)分析上的大力幫助,吳培亨院士對本工作進(jìn)行深入指導(dǎo)。該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校等基金項(xiàng)目的資助。此項(xiàng)研究工作還得到海外高層次人才計(jì)劃(青年),江蘇省雙創(chuàng)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程,江蘇省青藍(lán)工程,江蘇省電磁波特征信息調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、紫金山網(wǎng)絡(luò)通信與安全實(shí)驗(yàn)室的資助。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393
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