基于量子纠缠光源的超宽带红外光谱，实现FTIR光谱仪的高灵敏度和小型化
2024-02-05 16:16:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该研究项目将量子纠缠光源整合到一个实验平台中，构建了一个非线性量子干涉仪，能够使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里叶变换红外（QFTIR）光谱。
据麦姆斯咨询报道，中红外光谱区的光谱学研究最近取得了几项突破，有望应用于生物光子学和医学成像等领域。不过，中红外光谱仪器平台的开发仍然充满挑战。
传统的红外光源和探测器很难在保持所需灵敏度的同时实现小型化，而傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪被认为是一种有前景的方法。但是，FTIR光谱仪使用加热元件作为光源，由此产生的红外区域探测器噪声限制了该仪器的灵敏度，而物理特性则阻碍其向小型化发展。
研究人员正在努力克服上述障碍，例如美国芝加哥大学的一个科研项目开发出能够在中红外范围内发射的胶体量子点光源，以及上海交通大学改进的超快锁模源，这两个项目都旨在解决“中红外瓶颈”。
日本京都大学的一支研究团队近期展示了另一种可能的答案，即采用量子红外光谱法，利用量子纠缠态的可见光和红外光子对。这项突破性成果发表在Optica期刊上，研究人员利用通过啁啾产生的量子纠缠光，逐渐改变元件的极化反转周期，从而在较宽的带宽上生成量子光子对。
利用超宽带纠缠光子的量子红外光谱
该研究项目在其发表的论文中评论道：“传统的量子纠缠光源的带宽最多为1微米或更小，这阻碍了在光谱应用中非常重要的宽带测量。我们利用特殊设计的内部具有啁啾极化结构的非线性晶体，实现了可见（波长为595至725 nm）-红外（波长为2至5 µm）光子的超宽带纠缠态。我们研究结果表明，量子红外光谱可以实现超宽带光谱测量，并为使用量子纠缠光源的高灵敏度、小型化红外光谱仪铺平道路。”
开发环境监测、医学检测等应用
该研究项目将量子纠缠光源整合到一个实验平台中，构建了一个非线性量子干涉仪，能够使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里叶变换红外（QFTIR）光谱。
QFTIR光谱的实验设置和评估
在试验中，该仪器能够测量各种样品（例如熔融石英玻璃、聚苯乙烯薄膜和液相乙醇）的特征红外光谱，在2.5至4.5 µm范围内进行QFTIR光谱。试验结果与传统FTIR光谱的参考光谱非常一致。
使用超宽带QFTIR光谱测量三种不同样品的透射率
京都大学Shigeki Takeuchi评论道：“我们可以获得各种目标样品的光谱信息，包括硬固体、塑料和有机溶液。我们开发量子纠缠光源的合作伙伴岛津（Shimadzu）公司也认为，宽带测量光谱对于区分各种样品的物质非常有说服力。”
量子纠缠光源对于减少标准FTIR平台的尺寸和复杂性来说可能很有价值，因为标准FTIR平台很难运输到需要测试的地方，并且在运行中会消耗大量电力。Shigeki Takeuchi预计京都大学的量子纠缠光源将安装在高性能、电池供电的紧凑型仪器中，从而易于在环境监测、医学检测和安防等领域中使用。
Shigeki Takeuchi说道：“提高量子红外光谱的灵敏度和开发红外区域的量子成像是我们开发现实世界量子技术的一部分。”
延伸阅读：