01 导读
华东师范大学精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授、黄坤教授团队在计算光谱测量领域取得新进展。研究团队提出单光子时间拉伸计算光谱新方法，将色散傅里叶变换、可编程时间编码与计算鬼光谱相结合，有效缓解了传统时间拉伸光谱受探测器带宽和时间抖动限制的问题，为高速率、高分辨、高灵敏光谱测量提供了新的技术思路，在超快动力学研究、瞬态光谱测量、弱光光谱探测及远程光谱感知等领域具有广阔应用前景。
相关成果以《Single-photon time-stretch computational ghost spectroscopy》为题发表于Advanced Photonics（图一）。华东师范大学为论文第一完成单位，博士研究生赵郅斌为第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Advanced Photonics刊发华东师大研究团队的最新成果
02 研究背景
近红外光谱能够快速、无损地获取物质组成、分子结构及化学相互作用等信息，在化学分析、生命科学、食品检测和工业监测等领域具有广泛应用。近年来，光子时间拉伸光谱技术因能够实现单次曝光高速光谱测量而受到广泛关注。该方法利用色散介质将不同波长映射到不同时间，仅需单像素探测器即可完成光谱采集，在捕获非重复瞬态事件方面具有独特优势。
然而，时间拉伸光谱的性能高度依赖高速电子学。由于需要直接采集拉伸后的高速时域波形，其光谱性能受限于探测与采集系统的电子带宽，不仅增加了系统复杂度，也限制了光谱分辨率和可分辨通道数。近年来，时间拉伸光谱进一步拓展至单光子探测领域，但红外单光子探测器固有的时间抖动又会显著降低光谱保真度，成为制约系统性能的重要瓶颈。
与此同时，计算光谱学的发展为突破上述限制提供了新的思路。时域计算鬼光谱利用结构化时间编码和计算重构，以低带宽探测器记录编码后的积分信号，再通过关联计算恢复原始信息，将系统性能由传统的”高速探测”转向”计算重建”。受此启发，研究团队将计算鬼光谱引入时间拉伸光谱，提出了一种计算增强的时间拉伸光谱新方案。
图2：时间拉伸计算光谱技术原理图
03 创新研究
该方案（图2）将色散傅里叶变换、可编程时间编码和关联重构有机结合。首先利用群速度色散将光谱信息映射到时域，再对拉伸后的时域信号进行可编程编码，由低带宽探测器记录各编码对应的积分信号，并结合校准后的波长—时间映射关系完成计算重构。相比传统时间拉伸光谱，该方法无需直接采集高速时域波形，而是将高速探测需求转移至调制与计算环节，在保持高保真光谱重构的同时，大幅降低了对高速探测器的依赖。
为验证系统的高速光谱测量能力，研究团队利用该系统实时监测可编程光学滤波器液晶元件的瞬态切换过程（图 3）。在210 kHz光谱采集速率下，系统清晰记录了多个窄带光谱通道的动态演化，展现了对高速瞬态光谱事件的实时捕获能力。
图3 高速时间拉伸计算鬼光谱结果
更为重要的是，在平均每脉冲仅0.01个光子的极弱光照条件下，计算重构有效抑制了InGaAs单光子探测器约270 ps时间抖动带来的光谱退化，成功恢复了0.2 nm窄带光谱特征（图 4），充分验证了该方法在单光子探测条件下优异的鲁棒性和抗噪性能。
图4 高灵敏时间拉伸计算鬼光谱结果
04 总结与展望
该工作为时间拉伸光谱建立了计算增强的新范式，有效缓解了探测器带宽和时间抖动带来的限制，提升了弱光条件下的光谱重构能力。未来，结合高速时域调制、优化色散设计及智能重建算法，该方法有望进一步提升光谱测量性能；同时，借助非线性频率上转换技术拓展至中红外、太赫兹等波段，并与单像素成像、高光谱成像等技术融合，为超快动力学研究、弱光光谱探测和多维光谱感知等应用提供新的技术支撑。
近期，团队围绕红外计算光谱与成像取得系列突破，发展了快照式单光子光谱成像［Nat. Commun. (2026)］、单像素高光谱成像［Laser Photon. Rev. 20, e01321 (2026)］、非线性拓扑微分成像［Laser Photon. Rev. 20, e02431 (2026); ACS Photonics 13, 991 (2026)］，以及单光子时域鬼成像［Laser Photon. Rev. 20, e02587 (2026); Photon. Res. 14, 1919 (2026)］等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市、海南省与华东师大的共同资助。
论文链接:Single-photon time-stretch computational ghost spectroscopy
网址: https://www.researching.cn/EN/HPArticle/AP-26-112703?type=en
