中国科大突破湍流大气遥感极限：具有阿瓦级灵敏度的光子计数双光梳光谱
中国科大薛向辉教授团队在单光子双光梳光谱领域创新性提出双光梳探测方法新范式，并在开放大气光谱探测应用中取得重要突破，该项成果8月27日在线发表在《Light: Science & Applications》上[Light：Sci & Appl14, 293 (2025)]。团队成员赵若灿，钟伟等人另辟蹊径，采用铟镓砷（InGaAs）单光子雪崩二极管（SPAD）替代传统光电探测器，通过记录每个光子到达探测器的精确时间，巧妙设计共模信号感知与触发计数协议，成功攻克光路波动难题。团队利用统计计数方法，从海量光子到达事件的关联性中，重建出万频级双光梳干涉信号。该“光子计数”模式使系统检测灵敏度达到4阿瓦/梳线（1阿瓦 = 10⁻¹⁸瓦），较传统双光梳光谱技术灵敏度提升10个量级（100亿倍）！该技术突破将使激光功率降至毫瓦级，完全满足人眼安全标准，且采用小口径低成本光学望远镜系统，就能实现以往需要耗费巨大成本才能达成的百公里开放大气光谱测量，为大气遥感提供了新思路。
在传统双光梳光谱测量中，当探测信号能量充足时，采用普通光电探测器通过外差干涉，可以将原本处于光频范围的宽带光谱信号下转换至射频域，结合成熟的电子学采集卡与计算设备，即可高效完成光谱数据处理。作为典型的线性探测模式，外差信号强度与探测器输出电压成正比，因此能够实时、直观地呈现光谱信息，为高精度成分分析提供可靠依据。然而，传统光电探测器存在固有的探测下限，即使是目前灵敏度最高的近红外探测器，在极低带宽、大幅提升增益的条件下，通常也只能探测到数皮瓦（10-12W）量级的微弱信号。在开放大气遥感、深空探测等挑战性场景中，光信号功率常低至亚皮瓦乃至飞瓦（10-15W），远低于传统探测器的探测阈值。为突破这一限制，单光子探测器成为关键技术路径。区别于传统光电探测器的，单光子探测器仅能记录光子在某一时刻的 “到达” 或 “未到达” 状态，输出为一串离散的二进制脉冲信号，而非连续的模拟波形。这意味着科研人员需从海量 “01” 序列中重构光谱信息。此外，单光子探测器的高增益特性带来长死时间（即两次有效探测的最小间隔），严重限制了实际探测带宽，具体来说，为获取百兆赫兹的干涉信号频率成分，需在远高于单光子探测器最大计数率的条件下，完成信号特征提取。
图1. 实验室验证光路抖动、飞瓦级总探测能量条件下的HCN双光梳光谱
针对上述技术瓶颈，研究团队系统研究了单光子级双光梳干涉信号的物理机制与光子到达时间计数方法，创新性提出共模触发架构，通过引入参考光路实时监测并补偿光纤长度抖动与大气湍流带来的影响，实现从单光子探测器输出的二进制序列中，精准提取光谱信息。团队成功研制出全光纤集成、小型化、低功耗的单光子双光梳光谱系统，突破了传统技术在灵敏度、稳定性与便携性的限制，为大气痕量气体监测、量子光学精密测量等复杂应用场景提供了全新解决方案。
基于该理论架构，研究团队通过多维度实验对技术方案进行系统性验证。在实验室环境，科研人员模拟湍流光路条件，在光路严重抖动的环境下成功获取20纳米带宽的单光子级HCN分子吸收光谱（如图 2 所示）；在总能量低至20飞瓦（单根梳齿仅18阿瓦）的极端条件下，系统仍展现出亚赫兹级光谱分辨率与长期光子计数稳定性，刷新了当前双光梳光谱探测灵敏度与带宽纪录。
为推动技术迈向实用化，团队进一步研发出全光纤集成的便携式系统，并在合肥开展全球首个单光子开放大气双光梳光谱实验。在3.3公里城市复杂环境（涵盖高架桥湍流区、车流密集带），该系统实现长期不间断监测，同步解析 CO₂、H₂O、HDO 等关键气体的宽光谱浓度变化。值得关注的是，面对暴雨导致的 93dB 链路衰减（相当于信号强度下降超2亿倍），系统仅需15分钟即可完成光谱重建；在持续监测期间，实验场地（位于16层高楼）三次遭遇 4.7-4.9 级地震（震源距实验室仅30公里），系统仍能正常运行，充分展示共模触发架构的抗干扰能力。
图2. 开放大气链路单光子双光梳光谱测量实验
本研究通过单光子探测与双光梳光谱的创新性融合，不仅突破了传统双光梳技术在灵敏度、稳定性与便携性的多重瓶颈，更开创了极端环境下光谱测量的新范式。未来，该技术有望在三大领域实现突破性应用：在环境监测领域，可构建覆盖城市、海洋、森林的立体遥感网络，实时追踪温室气体排放；在工业检测领域，将赋能工业制造、能源电力的痕量气体在线监测；在遥感测绘领域，基于硬目标反射的单光子光谱雷达技术，可实现对多类型目标的高精度探测。随着技术持续迭代，单光子双光梳光谱系统正加速从实验室走向产业化，为全球环境治理、高端制造与国家“双碳”目标构筑“光子级”监测防线。这项工作得到国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和中国科大“双一流”建设经费的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01934-7
（地球和空间科学学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-1-12624.html中国科大突破湍流大气遥感极限：具有阿瓦级灵敏度的光子计数双光梳光谱
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