中红外光谱已成为分析众多分子振转特征模式的重要手段，不断提高其探测灵敏度对于满足低照度应用场景具有积极意义，如痕迹检测、红外遥感和环境监测等。然而，现存中红外探测器在室温下噪声较大，严重限制了传统光谱仪的探测灵敏度。此外，免扫描中红外光谱仪通常需要焦平面阵列探测器，在价格昂贵的同时，光谱分辨率也受到像素规模的限制。因此，如何在宽光谱范围内实现高灵敏和高分辨的中红外光谱探测颇受关注。
近年来，时间拉伸光谱技术方兴未艾，其将光谱信息映射到时间维度，免除了空间色散元件，无需机械扫描，利用单像素探测器即可实现高通量和高分辨的光谱测量。但是，高灵敏时间拉伸光谱技术当前仅局限于可见光或近红外波段，低损耗高色散介质和高带宽光学探测器的不足严重阻碍了其向中红外谱段的发展。因此，实现宽波段、高分辨的中红外单光子时间拉伸光谱仍具挑战
为此，曾和平教授和黄坤研究员团队基于高保真频率上转换和时间相关光子计数技术，设计并实现了宽带中红外单光子时间拉伸光谱仪。研究人员利用宽带非线性和频过程，将覆盖2.4-4.2 μm的超连续谱转换到近红外区域，以充分利用该波段具有的低损耗单模光纤和高性能硅基探测器，为拉伸变换和灵敏检测提供了解决之道。在实验中，上转换光子的到达时间由低定时抖动光子计数器精确记录，能够在低至0.14 photons/nm/pulse的单光子照度下获得约0.5 cm-1的高光谱分辨率。
研究团队首次在时间域上实现了中红外单光子光谱分析，结合了上转换探测和时间拉伸光谱的优点，克服了在精密光谱测量中对多像素阵列探测器的严苛要求，利用单像素光子探测器即可实现单光子光谱的高通量与高分辨采集。
未来，通过使用更大群速度色散的介质和更低时间抖动的探测器，可以进一步提高光谱分辨率。此外，将所提出方法可以扩展到长波红外或太赫兹波段，以满足该谱段对于高灵敏度和高分辨光谱测量的迫切需求，将为材料、化学、生物、医学等领域提供全新的红外光谱分析手段。
相关工作得到科技部、基金委、上海市、重庆市和华师大的共同支持，发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202301272)，第一作者为博士生孙奔，通讯作者为黄坤研究员和曾和平教授。
图 (a) 中红外单光子时间拉伸光谱概念图; (b) 中红外单光子时间拉伸光谱系统装置图; (c) 宽波段中红外上转换光谱探测，光谱分辨率为0.5 cm-1; (d) 探测灵敏度达0.14 photons/nm/pulse.
论文链接：Single-Photon Time-Stretch Infrared Spectroscopy
