近日，来自东京大学光子科学与技术研究所的Takuro Ideguchi教授团队在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》发表了题“Upconversion time-stretch infrared spectroscopy”的高水平论文，东京大学光子科学与技术研究所的Kazuki Hashimoto博士为本文的第一作者，Takuro Ideguchi教授为本文的通讯作者。此外，东京大学 与技术研究生院和东京大学物理系也为本工作提供了协助。
研究背景
宽带中红外（MIR）光谱技术具有非侵入性的特点，可用于识别分子种类和感知分子结构细微变化，已广泛的应用于环境气体监测、燃烧分析、光反应蛋白分析、液体生物分析和呼吸诊断等领域。宽带MIR光谱仪器发展的一个重要挑战是测量速度的提高，已有的研究表明，提高测量速率的主要方法有两种。其中，一种方法是使用带有光栅色散光谱仪的传感器阵列进行并行信号检测，但光谱测量速率受传感器读出速率的限制；另一种方法是利用光电探测器的高带宽来提高傅里叶变换光谱仪的扫描速率。先进的傅里叶变换红外光谱（FTIR），如MIR双梳光谱（MIR-DCS）、快速扫描FTIR和相位控制FTIR，显著提高了测量扫描速率。然而，测量速率已经达到了受信噪比（SNR）限制的理论最大值，当信号变得与噪声水平相当时，高速测量面临极限速度限制。因此，为了进一步提高测量速率，需要一种具有更高SNR的方法。
时间拉伸红外光谱是一种新兴的超快扫频中红外光谱技术，这种扫频光谱（FSS）是一种比FTIR具有更高SNR的方法，其中通过对激光频率进行扫频来测量宽带光谱。由于每个光谱元件的噪声较小，其SNR比傅里叶变换光谱高出光谱元素数量的平方根倍。FSS技术有可能提高光谱测量速率，但是，当前使用扫频MIR激光器的MIR-FSS的最高扫描速率只能测量两个光谱元素，因此，使用扫频光谱技术提高SNR和测量速率仍然具有着非常大的困难和挑战。
图1. TSIR和FTIR的工作原理和信噪比比较。（a）TSIR和FTIR的工作原理。DFT：色散傅里叶变换，FFT：快速傅里叶变换，BS：分束器，PD：光电探测器。（b）SNR依赖于光谱元素的数量M，（蓝色：TSIR，红色：FTIR）。P：平均检测功率，σ：系统的总噪声等效功率。（c）SNR依赖于测量时间T（蓝色：TSIR，红色：FTIR）。在M=1000时计算SNR， NEP：噪声等效功率。
创新研究
Takuro Ideguchi教授首先提出通过时间拉伸脉冲来实现高速扫频激光器，并演示了超高光谱测量速率下的时间拉伸红外光谱（TSIR）。尽管所开发的系统显著提高了测量速率，但可测量的光谱元素数量被限制在约30个（光谱分辨率为7.7 cm-1），这主要是由于自由空间角啁啾增强延迟线（FACED）的时间拉伸损失大，以及MIR光检测的灵敏度低。由于光谱元件的数量较少，人们无法获得宽带MIR光谱的全部优势，即具有大量光谱元件的高SNR多路光谱测量。此外，低光谱分辨率不允许将其应用于气相光谱。
图2. 上转换时间拉伸红外光谱技术（UC-TSIR）的示意图。MIR-OPO：中红外光学参量振荡器，PPLN：周期性极化铌酸锂。
随后，研究人员通过引入非线性上转换过程，开发了上转换TSIR（UC-TSIR），将光谱元素的可测量数量显著增加到1000个以上。通过差频产生（DFG）的非线性上转换允许在近红外（NIR）波段中实现时间拉伸和光电检测，这为TSIR提供了优越的优势：（1）使用电信级光纤进行低损耗和大脉冲拉伸；（2）使用InGaAs光电探测器进行低噪声和高带宽脉冲检测，实现高速、高分辨率和高含量MIR光谱。最终，从中红外到近红外电信区域的宽带频谱的一对一映射使得能够利用单模光纤进行低损耗时间拉伸，并利用高带宽光接收器进行低噪声信号检测。
图3. 具有上转换TSIR的气相CH4分子的高速宽带MIR光谱。（a）在10km DCF（总色散为-2 ns nm-1）（黑色）下以80 MSspectras s-1的速率连续测量的TSIR光谱，插图显示了部分光谱的放大视图。（b）通过GD算法检索的单次发射透射光谱。
研究者测量了具有不同脉冲拉伸条件的气态甲烷分子（CH4）的高分辨率宽带中红外光谱。实验表明，TSIR在80毫秒频谱每秒下的频谱分辨率为0.10 cm-1（200个光谱元素），在-10 dB级（760个光谱元素）下的光谱分辨率和带宽分别为0.034 cm-1和26 cm-1，在-8 dB级（1000个光谱元素）下的分辨率和带宽为0.017 cm-1和17 cm-1。这种前所未有的高速振动光谱技术将为实验分子科学提供更多的思路，为测量不可逆现象的超快动力学、统计分析大量非均匀光谱数据或以高帧率拍摄宽带高光谱图像等领域中奠定基础。
图4. CH4分子的高分辨率宽带TSIR光谱。（a）使用30 km DCF（蓝色）和60 km DCF测量的180倍平均TSIR光谱（红色）。（b）部分测量和计算的TSIR光谱之间的比较。测量的TSIR光谱的时间基线由包络函数归一化。绿色图表示残差。（c）通过GD算法检索的透射光谱（红色）与数据库中计算的地面真实透射光谱（黑色）进行比较。插图显示了小吸收峰的放大视图。绿色图显示残余。
该研究成果以“Upconversion time-stretch infrared spectroscopy”为题发表在Light: Science & Applications。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01096-4
（来源：LightScienceApplications微信公众号）
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