本發(fā)明屬于紅外光譜，具體涉及一種基于量子關(guān)聯(lián)的超寬帶中紅外光譜測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、波長處于2.5至25μm之間的中紅外波段在多種應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色，這個(gè)波段覆蓋了眾多分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象，反映了各種有機(jī)物和無機(jī)物的基頻吸收特性，能夠直接獲取物質(zhì)的光譜信息，進(jìn)一步揭示其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。中紅外光譜在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、食品工業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在環(huán)境監(jiān)測方面，中紅外光譜可用于監(jiān)測空氣和水中的污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物，能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助環(huán)保機(jī)構(gòu)監(jiān)控環(huán)境質(zhì)量并采取相應(yīng)措施；在醫(yī)療診斷方面，尤其是在非侵入性疾病檢測和生物標(biāo)志物分析中，可以通過分析血液或組織樣本的中紅外光譜，識(shí)別出癌癥等疾病的早期跡象，實(shí)現(xiàn)非接觸、無染色測量；在食品工業(yè)方面，中紅外光譜可以用來檢測食品中的摻假成分，如檢測橄欖油中的其他植物油等。

2、然而，中紅外光譜測量中，光譜分辨結(jié)構(gòu)和探測器仍面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在傳統(tǒng)測量過程中，需依賴光柵或者干涉儀等方式來實(shí)現(xiàn)光譜分辨，然而這些分光方式增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性。近年來，時(shí)間拉伸技術(shù)得到了快速發(fā)展。時(shí)間拉伸技術(shù)通過利用色散介質(zhì)中的群速度色散來實(shí)現(xiàn)光譜分辨，不再需要光柵或者干涉儀等復(fù)雜操作手段，大幅提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，在光譜分辨過程中，時(shí)間拉伸通常需要使用長距離光纖，由于色差將導(dǎo)致不同頻率的光在同一根光纖的耦合效率有所差異，且傳輸損耗相對較大，導(dǎo)致了用于光譜分辨的光通量的損耗。同時(shí)，光纖的色散系數(shù)易受到環(huán)境溫度變化的影響，從而影響了光譜分辨的準(zhǔn)確性。此外，在探測器方面，相比于發(fā)展較為成熟的可見光和近紅外探測器，中紅外探測器在探測靈敏度、暗噪聲、探測響應(yīng)速度等方面仍然存在著很大的不足。為了突破中紅外探測器性能不足對中紅外光譜測量靈敏度的限制，研究人員發(fā)展了結(jié)合頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的中紅外量子關(guān)聯(lián)光譜測量方案。該方案通過利用量子光譜的時(shí)間-頻率關(guān)聯(lián)特性，來提升光譜測量的靈敏度，同時(shí)進(jìn)一步結(jié)合頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，將中紅外波段轉(zhuǎn)換為近紅外或者可見光波段，以此來規(guī)避當(dāng)前中紅外探測器性能不足的瓶頸。然而，該類方案通常依賴于鈮酸鋰晶體或者磷酸鈦氧鉀晶體，這類晶體材料對5μm以上的中紅外波段有較強(qiáng)的吸收，所以該類方案無法實(shí)現(xiàn)5μm以上的中紅外光譜的測量，無法覆蓋分子的指紋光譜區(qū)，限制了中紅外非線性光譜的應(yīng)用范圍。此外，該類方案在光譜分辨方面仍依賴于上述光柵、干涉儀或者長距離光纖等，一定程度上限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)損耗。因此，如何實(shí)現(xiàn)中紅外波段的超寬帶、高靈敏、高分辨、高光通量的光譜探測仍頗具挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于量子關(guān)聯(lián)的超寬帶中紅外光譜測量方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于量子關(guān)聯(lián)的超寬帶中紅外光譜測量方法，包括以下步驟：

4、步驟1：將泵浦光入射到硫鎵銀晶體實(shí)現(xiàn)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超寬波段的中紅外光子和近紅外波段的預(yù)報(bào)光子的關(guān)聯(lián)光子對，其中預(yù)報(bào)光子通過超導(dǎo)納米線單光子探測器進(jìn)行探測；

5、步驟2：引入一束與步驟1中所述的泵浦光時(shí)域同步的、具有相同重復(fù)頻率的泵浦光束，與經(jīng)過樣品后攜帶光譜信息的超寬波段的中紅光子一起合束入射到硫鎵銀晶體實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生近紅外波段的和頻光子，并利用另一個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測器進(jìn)行探測；

6、步驟3：通過旋轉(zhuǎn)兩塊硫鎵銀晶體實(shí)現(xiàn)中紅外光譜分辨，采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)模塊，利用符合測量的方式實(shí)現(xiàn)和頻光子和預(yù)報(bào)光子的關(guān)聯(lián)光譜測量，從而實(shí)現(xiàn)3-10μm超寬帶中紅外光譜測量。

7、優(yōu)選的，所述兩塊硫鎵銀晶體通過改變各自的相位匹配角，能夠分別實(shí)現(xiàn)3-10μm的中紅外光源產(chǎn)生和3-10μm中紅外頻率上轉(zhuǎn)換過程。

8、優(yōu)選的，所述自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換和頻率上轉(zhuǎn)換過程均滿足能量守恒和動(dòng)量守恒定律。對于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程：其中ωp、ωmir和ωh分別為泵浦光、中紅外光子和預(yù)報(bào)光子的角頻率；和分別是其對應(yīng)光場的波矢；對于頻率上轉(zhuǎn)換過程：ωp′+ωmir＝ωsfg，其中ωp′、ωmir和ωsfg分別為新的泵浦光場、中紅外光子和和頻光子的角頻率，和分別是角頻率為ωp′、ωmir和ωsfg的光場的波矢。

9、優(yōu)選的，所述利用850nm脈沖激光入射第一硫鎵銀晶體實(shí)現(xiàn)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超寬帶的中紅外量子關(guān)聯(lián)光源，通過改變晶體的相位匹配角度實(shí)現(xiàn)波長覆蓋3-10μm的中紅外光子和波長覆蓋929-1186nm波段的預(yù)報(bào)光子，在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中，角頻率為ωp的第一泵浦光入射到第一硫鎵銀晶體中發(fā)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換作用，產(chǎn)生角頻率為ωmir的中紅外光子和角頻率為ωh的預(yù)報(bào)光子，在該過程中遵循能量守恒和動(dòng)量守恒：ωp＝ωmir+ωh，其中和分別是角頻率為ωp、ωmir和ωh的光場的波矢，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，可得到自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中的角度相位匹配的相位匹配角θ為：

10、

11、其中λp、λmir、λh分別是角頻率為ωp、ωmir、ωh的光場所對應(yīng)的波長；nmir和nh分別是角頻率為ωmir和ωh的光場所對應(yīng)的折射率，npo和npe分別是角頻率為ωp的光場所對應(yīng)的尋常光o和非常光e狀態(tài)下的折射率，通過相位匹配角θ可進(jìn)一步得到產(chǎn)生不同波長的中紅外光子的條件下，泵浦光的入射角θincident的變化曲線；以及不同波長的中紅外光子和預(yù)報(bào)光子的出射角θexit的變化曲線，通過旋轉(zhuǎn)第一硫鎵銀晶體的角度，即改變相位匹配角θ，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程；

12、所述方法通過寬帶頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)將量子關(guān)聯(lián)光源中的寬帶中紅外光子與1550nm脈沖激光合束后頻率上轉(zhuǎn)換至近紅外波段，在寬帶頻率上轉(zhuǎn)換過程中，首先將第二泵浦光源與第一泵浦光源通過時(shí)鐘同步觸發(fā)方式保持其重復(fù)頻率相同、時(shí)域同步，之后將角頻率為ωp′的第二泵浦光和角頻率為ωmir的中紅外光子合束入射到第二塊硫鎵銀晶體，最后，通過頻率上轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生角頻率為ωsfg的和頻光子，在頻率上轉(zhuǎn)換過程中，仍然遵守能量守恒和動(dòng)量守恒：ωp′+ωmir＝ωsfg，其中和分別是角頻率為ωp′、ωmir和ωsfg的光場的波矢，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，可得頻率上轉(zhuǎn)換過程中硫鎵銀晶體內(nèi)部的相位匹配角θ′為：

13、

14、其中λp′、λmir和λsfg分別是角頻率為ωp′、ωmir和ωsfg的光場所對應(yīng)的波長；np′和nmir分別是角頻率為ωp′和ωmir的光場所對應(yīng)的折射率，nsfgo和nsfge分別是角頻率為ωsfg的光場所對應(yīng)的尋常光o和非常光e狀態(tài)下的折射率；利用相位匹配角θ′可得頻率上轉(zhuǎn)換過程不同波長的中紅外光子的頻率上轉(zhuǎn)換過程中泵浦光和中紅外光子的入射角θi′ncident變化曲線以及和頻光子出射角θe′xit的變化曲線；通過旋轉(zhuǎn)第二塊硫鎵銀晶體的角度，來實(shí)現(xiàn)不同頻率的相位匹配角θ′，從而實(shí)現(xiàn)3-10μm波長范圍內(nèi)不同頻率的頻率上轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率分辨；

15、最后，通過利用第一超導(dǎo)納米線單光子探測器對預(yù)報(bào)光子進(jìn)行探測，輸出電信號(hào)到時(shí)間單光子計(jì)數(shù)器作為觸發(fā)信號(hào)。攜帶樣品光譜信息的不同波長的中紅外光子被第二硫鎵銀晶體轉(zhuǎn)換到近紅外波段后由第二超導(dǎo)納米線單光子探測器進(jìn)行探測，同樣輸出電信號(hào)至?xí)r間單光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行符合測量，通過不斷改變第一硫鎵銀晶體和第二硫鎵銀晶體，可以實(shí)現(xiàn)3-10μm超寬帶中紅外光譜測量。

16、一種基于量子關(guān)聯(lián)的超寬帶中紅外光譜測量系統(tǒng)，所述量子關(guān)聯(lián)的超寬帶中紅外光譜測量系統(tǒng)，包括：第一泵浦光源、半波片、平凸透鏡、第一硫鎵銀晶體、離軸拋物面反射鏡、二向色鏡、待測樣品、反射銀鏡、超導(dǎo)納米線單光子探測器、第二泵浦光源、半波片、介質(zhì)膜反射鏡、二向色鏡、離軸拋物面反射鏡、第二硫鎵銀晶體、離軸拋物面反射鏡、濾波片組、超導(dǎo)納米線單光子探測器、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器；

17、所述第一泵浦光源為850nm脈沖激光器，其重復(fù)頻率為40mhz，輸出功率能夠達(dá)到1w；以該光源作為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換泵浦光源，可以產(chǎn)生波長范圍為3-10μm的中紅外光子和929-1186nm的預(yù)報(bào)光子的關(guān)聯(lián)光子對；且通過時(shí)鐘同步觸發(fā)實(shí)現(xiàn)與第二泵浦光源重復(fù)頻率相同并在時(shí)域上保持同步；

18、所述半波片為850nm半波片，該半波片用于改變第一泵浦光源的偏振方向，使其滿足第一硫鎵銀晶體的第i類相位匹配條件；

19、所述平凸透鏡為n-bk7平凸透鏡，目的在于將第一泵浦光源聚焦到第一硫鎵銀晶體中，以實(shí)現(xiàn)高效的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換；該平凸透鏡的焦距為50mm，透鏡直徑為25.4mm。

20、所述第一硫鎵銀晶體為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換非線性介質(zhì)，用于產(chǎn)生3-10μm中紅外光子和929-1186nm預(yù)報(bào)光子，其鍍膜波段涵蓋2.6-11μm，切割角為θ＝50°和晶體尺寸為6mm(長)×6mm(寬)×2mm(厚)；并將其放置在精度為1mrad的旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上，改變位移平臺(tái)角度實(shí)現(xiàn)第一硫鎵銀晶體內(nèi)不同的相位匹配角，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換。

21、所述離軸拋物面反射鏡為鍍有銀膜的90°離軸拋物面反射鏡，目的在于將自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的中紅外光子和預(yù)報(bào)光子無色差的準(zhǔn)直輸出；該離軸拋物面反射鏡的反射焦距為50.8mm，離軸直徑為25.4mm；

22、所述二向色鏡將自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的中紅外光子與預(yù)報(bào)光子空間分離，該二向色鏡為2μm短波通二向色鏡，對3-10μm中紅外光子反射，對929-1186nm預(yù)報(bào)光子透射；

23、所述待測樣品為生物組織或化學(xué)材料，該待測樣品對不同中紅外波長的光強(qiáng)的吸收度不同，系統(tǒng)通過同時(shí)改變第一硫鎵銀晶體和第二硫鎵銀晶體的相位匹配角來測量不同中紅外波長下無樣品和有樣品時(shí)的符合事件的變化，即可得到待測樣品在不同波長下的不同透射率，從而實(shí)現(xiàn)光譜探測；

24、所述平面反射鏡為反射銀鏡，用于改變光路走向，反射銀鏡對預(yù)報(bào)光子的反射率為90％以上；

25、所述超導(dǎo)納米線單光子探測器對自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的預(yù)報(bào)光子實(shí)現(xiàn)超靈敏探測，其探測波長范圍涵蓋929-1190nm，探測效率為90％，暗計(jì)數(shù)小于20cps；

26、所述第二泵浦光源為1550nm脈沖激光器，可接受第一泵浦光源的外部電觸發(fā)，其重復(fù)頻率為40mhz，輸出功率能夠達(dá)到1w；以該光源作為頻率上轉(zhuǎn)換的泵浦光源，實(shí)現(xiàn)3-10μm的中紅外光子的頻率上轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生和頻光子；

27、所述半波片為1550nm半波片，該半波片用于改變第二泵浦光源的偏振方向，使其滿足第二硫鎵銀晶體的第i類相位匹配條件；

28、所述平面反射鏡為介質(zhì)膜反射鏡，用于改變光路走向，介質(zhì)膜反射鏡對預(yù)報(bào)光子的反射率為99％以上；

29、所述二向色鏡將自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的3-10μm中紅外光子與1550nm第二泵浦光源空間合束。該二向色鏡為2μm長波通二向色鏡，對3-10μm中紅外光子透射，對1550nm泵浦光反射；

30、所述離軸拋物面反射鏡為鍍有銀膜的90°離軸拋物面反射鏡，目的在于將3-10μm中紅外光子和第二泵浦光源可以無色差的聚焦在第二硫鎵銀晶體中，以實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換。該離軸拋物面反射鏡的反射焦距為50.8mm，離軸直徑為25.4mm；

31、所述第二硫鎵銀晶體為頻率上轉(zhuǎn)換非線性介質(zhì)，用于將3-10μm中紅外光子轉(zhuǎn)換至近紅外波段，其鍍膜波段涵蓋2.6-11μm，切割角為θ＝50°和晶體尺寸為6mm(長)×6mm(寬)×2mm(厚)。并將其放置在精度為1mrad的旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上，改變位移平臺(tái)角度來改變第二硫鎵銀晶體內(nèi)的相位匹配角，從而實(shí)現(xiàn)不同中紅外波長的頻率上轉(zhuǎn)換；

32、所述離軸拋物面反射鏡為鍍有銀膜的90°離軸拋物面反射鏡，目的在于將頻率上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的和頻光子無色差準(zhǔn)直輸出，便于后續(xù)探測。該離軸拋物面反射鏡的反射焦距為50.8mm，離軸直徑為25.4mm；

33、所述濾波片組為1000nm長通濾波片和1350nm短通濾波片組合，該濾波片組用于頻率上轉(zhuǎn)換光子濾波，濾除1550nm泵浦光、泵浦光上轉(zhuǎn)換熒光、環(huán)境雜光；

34、所述超導(dǎo)納米線單光子探測器對頻率上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的和頻光子實(shí)現(xiàn)超靈敏探測，其探測波長范圍涵蓋1020-1350nm，探測效率為70％，暗計(jì)數(shù)小于100cps；

35、所述時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器在于記錄和頻光子和預(yù)報(bào)光子的關(guān)聯(lián)探測，采集隨著兩塊硫鎵銀晶體的角度變化而引起的符合事件的變化，最大分辨率1ps，測量時(shí)間窗口65ns。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

37、本方案基于硫鎵銀晶體實(shí)現(xiàn)了光譜范圍達(dá)到3-10μm的中紅外量子光源的產(chǎn)生與光譜探測，突破了傳統(tǒng)基于鈮酸鋰晶體或磷酸鈦氧鉀晶體的光譜測量系統(tǒng)通光范圍的限制。量子光源中的中紅外光子與預(yù)報(bào)光子具有時(shí)間關(guān)聯(lián)和頻率關(guān)聯(lián)的量子特性，能夠有效降低光譜測量中噪聲擾動(dòng)對測量的影響。通過提前標(biāo)定波長和硫鎵銀晶體的旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系，僅旋轉(zhuǎn)硫鎵銀晶體即可進(jìn)行光譜分辨，不再依賴于紅外光柵、干涉儀或長距離光纖，具備高光通量和高分辨率的特點(diǎn)。通過基于硫鎵銀晶體的頻率上轉(zhuǎn)換過程，規(guī)避了對中紅外探測器件的需要，降低了測量過程中的噪聲，進(jìn)一步提高探測靈敏度，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作易于實(shí)現(xiàn)。