量子纠缠源推动中红外光谱学发展

京都大学的宽带发射器可带来更灵敏、更紧凑的器件

在生物光子学和医学成像技术潜在应用的推动下，中红外光谱区的光谱学研究最近取得了一些突破。但仪器平台的开发仍面临挑战。

传统的红外光源和探测器在小型化的同时难以保持所需的灵敏度，而傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）被认为是一种很有前景的方法，但它使用加热元件作为光源，因此探测器噪声很大。研究人员一直在致力解决这些障碍，如芝加哥大学的一个项目开发了能在中红外范围发光的胶体量子点作为替代源，上海交通大学设计了改进的超快锁模源，这两个项目都旨在解决 "中红外瓶颈 "问题。

现在，京都大学的一个研究小组利用量子红外光谱技术，利用量子纠缠状态下的可见光和红外光子对，展示了另一种可能的解决方案。这项突破发表在《Optica》上，它利用通过啁啾产生的量子纠缠光，逐渐改变元素的偏振反转周期，从而在较宽的带宽上产生量子光子对。

该项目在发表的论文中评论道：传统量子纠缠光源的带宽最多为 1 μm 或更低，这阻碍了在光谱应用中非常重要的宽带测量，我们利用内部具有啁啾极化结构的特殊设计的非线性晶体，实现了波长为 2 至 5 μm 的可见光-红外光子的超宽带纠缠态。

图1：非啁啾和啁啾 QPM 器件的光学特性。QPM 器件的材料是掺镁的化学计量比钽酸锂（Mg:SLT）。晶体长度为 10 mm。高度和宽度均为 1 mm。(a) 非啁啾 QPM 器件示意图。可见光和中红外光子对的波长分别为 612 nm 和 4100 nm。(b) 非啁啾 QPM 器件产生的可见光和中红外光子对的预期信号光（可见光）光谱的数值模拟结果。下横轴和上横轴分别表示信号光（可见光）和闲频光（中红外）波长。(c) 非啁啾 QPM 器件产生的可见光和中红外光子对的实验信号光（可见光）光谱。(d) 啁啾 QPM 器件示意图。可见光和中红外光子对的波长分别为 595 至 725 nm 和 2000 至 5000 nm。(e) 从啁啾 QPM 器件产生的可见光和中红外光子对的预期信号光（可见光）光谱的数值模拟结果。(f) 从啁啾 QPM 器件产生的可见光和中红外光子对的实验信号光（可见光）光谱。资料来源：Toshiyuki Tashima等人，《Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy》，《Optica》（2024）。

环境监测、医学和安全方面的应用
 

该项目将其源纳入一个实验平台，建立了一个非线性量子干涉仪，旨在利用可见光硅探测器对无机和有机材料进行宽带红外光谱分析。整个操作被称为量子傅立叶变换红外（QFTIR）光谱学。

在试验中，该器件能够测量熔融石英玻璃、聚苯乙烯薄膜和液相乙醇等各种样品的特征红外光谱，在 2.5 至 4.5 μm 范围内执行 QFTIR 光谱分析。结果与传统傅立叶变换红外光谱的参考光谱非常吻合。京都大学的 Shigeki Takeuchi 表示说：我们可以获得各种目标样品的光谱，包括硬质固体、塑料和有机溶液。我们开发量子光器件的合作伙伴岛津公司也认为，宽带测量光谱在区分各种样品的物质方面非常有说服力。

图 2. 实验装置和 QFTIR 光谱评估。(a) 实验装置示意图。非啁啾或啁啾 QPM 器件放置在带有温度控制器的烤盘平台上。HWP，半波板；DM1，截止波长为 567 nm的二向色镜；L，透镜，𝑓=200 mm；DM2，截止波长为 2000 nm的二向色镜；M，反射镜；CM，凹面镜；OAPM，离轴抛物面镜，𝑓=150 mm；G，锗窗口片；Mi，平移台上的反射镜；SPF，短通滤波器；BPF，带通滤波器；P，针孔（150 μm或 200 μm）；MMF，多模光纤；APD，雪崩光电二极管（硅）。(b) 通过非啁啾 QPM 器件产生的两个可见光和中红外光子对之间的干涉得到的量子干涉图。插图显示了放大的量子干涉图中接近量子干涉图信号的部分。(c) 根据 (b) 中的结果计算出的傅立叶振幅。上下横轴分别表示闲频光（近红外）和信号光（可见光）波长。(d) 通过啁啾 QPM 器件产生的两个可见光和中红外光子对之间的干涉得到的量子干涉图。(e) 根据 (d) 中的结果计算出的傅立叶振幅。资料来源：Toshiyuki Tashima等人，《Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy》，《Optica》（2024）。

图 3. 使用超宽带 QFTIR 光谱仪测量三种不同样品的透射率。(a) UVFS 的透射率；(b) 聚苯乙烯薄膜的透射率；(c) 乙醇的透射率，由 QFTIR 光谱获得的傅里叶振幅计算得出。黑线表示实验结果。红色虚线表示 IRTracer-100 测量的参考值（波长分辨率：4.0 cm^-1）。插图显示了插入样品时，啁啾 QPM 器件产生的两个可见光和中红外光子对之间的干涉所得到的量子干涉图。资料来源：Toshiyuki Tashima等人，《Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy》，《Optica》（2024）。

标准傅立叶变换红外平台难以运输到需要测试的地点，而且在运行中耗电量大，而这些光源是缩小标准傅立叶变换红外平台尺寸和降低其复杂性的重要手段。Shigeki Takeuchi 预计，京都大学的光源将安装在紧凑型、高性能、电池供电的扫描仪中，从而在环境监测、医疗和安全等领域实现易于使用的应用。Takeuchi 说：提高量子红外光谱的灵敏度和开发红外区域的量子成像技术是我们开发现实世界量子技术的追求之一。
 

参考文献：Toshiyuki Tashima等人，《Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy》，《Optica》（2024）。