大连理工大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、之江实验室、华东师范大学等机构的研究团队，共同提出了一种名为单光子双光梳鬼影成像光谱（DC-GIS）的新技术。该技术巧妙地将双光梳光谱技术与鬼影成像原理相结合，利用经过特殊编码的双光梳光谱矩阵作为探测光源，并通过单像素的单光子探测器进行信号采集。最终，通过计算“鬼影”关联，能够在毫秒量级的时间内，从极低维度的光子计数信号中直接重构出高维、高分辨率的光谱信息。实验证明，该技术在单个梳齿功率仅为飞瓦（femtowatt）级别的超弱光条件下，依然实现了125 MHz（约1皮米）的超高光谱分辨率，成功应用于乙炔气体的指纹光谱测量和125公里超长距离光纤传感，为光子稀疏场景下的光谱测量提供了革命性的解决方案。

研究背景

在天文学、生物医学、痕量物质检测等前沿科学领域，经常需要在光子极其稀疏的极端条件下进行光谱分析。传统的单光子光谱技术虽然灵敏度极高，但普遍面临着一个长期存在的矛盾：要获得高分辨率，就必须牺牲测量速度，反之亦然。例如，色散型单光子光谱仪的测量时间常长达数分钟甚至数小时，而傅里叶变换等其他技术也难以同时兼顾速度与分辨率。因此，开发一种能够在光子匮乏场景下同时实现高速、高分辨率光谱测量的新技术，一直是该领域亟待突破的技术瓶颈。

图1.单光子DC-GIS方案的基本原理和实验装置.

核心创新点：单光子双光梳鬼影成像光谱（DC-GIS）的核心原理在于将传统光谱测量中的“色散-探测”模式转变为一种“编码-关联计算”模式。研究团队首先利用电光调制器产生两束频率间隔（梳齿间距）略有差异的光学频率梳，即“双光梳”。与传统双光梳直接进行拍频干涉不同，DC-GIS技术通过一个任意波形发生器（AWG），将一个预设的、由0和1组成的二值编码矩阵（如哈达玛矩阵）加载到双光梳上，使得双光梳的每一根梳齿的强度被精确地“打开”或“关闭”，从而形成一系列（例如128个）频谱结构各不相同的“光谱图案”。这个由多个光谱图案构成的时间序列，被称为“双光梳矩阵”。该矩阵被分成两路：一路作为参考信号，由高速光电探测器接收，用于精确记录每一个出射光谱图案的真实样貌；另一路则穿过待测样品，由一个不具备光谱分辨能力的单光子雪崩二极管（SPAD）进行探测，该探测器只负责对每个光谱图案作用后的总光子数进行计数。最后，通过将参考臂记录的精确光谱图案矩阵与测量臂获得的总光子计数值序列进行“鬼影成像”的关联算法计算，即可在无需扫描、无需光栅色散的情况下，直接重构出样品的高分辨率吸收光谱。

在实验验证中，研究团队首先以乙炔（C?H?）气体作为样品，在光信号衰减至每秒仅有5x10?个光子（功率约210飞瓦）的极端条件下进行了测试。仅用时6.4毫秒，系统便成功重构出了乙炔分子的振转吸收谱线，光谱分辨率高达125 MHz，与HITRAN数据库的理论值高度吻合。更具挑战性的是，团队还将该技术应用于超长距离光纤传感。他们将一个相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）传感器置于125公里长的通信光纤末端，利用DC-GIS技术进行远程光谱 interrogating。尽管经过长距离传输后，到达传感器的每个光梳齿功率已降至飞瓦量级，且总光子数极低，系统依然能在1秒内精确重构出PS-FBG的窄带反射光谱，并成功监测到由微小应变（0.5 με）引起的光谱峰位移。这一系列实验充分证明了DC-GIS技术在光子稀疏场景下兼具高速、高分辨率、高灵敏度的强大能力。

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