案例分享|"鬼光譜"突破高光譜取舍：PPKTP量子成像方案

高光譜成像一直有個(gè)讓人頭疼的矛盾：想要光譜分辨率，就得犧牲空間分辨率，或者反之。而在量子成像領(lǐng)域，基于糾纏光子對(duì)“鬼成像”已展現(xiàn)出突破傳統(tǒng)光學(xué)探測(cè)邊界的潛力。而當(dāng)量子關(guān)聯(lián)從空間維度延伸至光譜 — 時(shí)間維度，高光譜成像也迎來(lái)了新的技術(shù)路線。

近期，來(lái)自加拿大guo家研究委員會(huì)的研究團(tuán)隊(duì)提出一種量子關(guān)聯(lián)高光譜成像技術(shù)（QCHSI）。該方案利用PPKTP晶體通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生高質(zhì)量糾纏光子對(duì)，將量子鬼成像的關(guān)聯(lián)測(cè)量思想與快照式高光譜成像結(jié)合，在不顯著犧牲空間分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)了單光子級(jí)、高效率的快照高光譜成像。

高光譜成像的傳統(tǒng)瓶頸

高光譜成像（HSI）可以同時(shí)獲取目標(biāo)二維空間信息與一維光譜信息，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)遙感、生物技術(shù)、醫(yī)療診斷和食品分析等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)高光譜成像通常依賴空間或光譜掃描，雖然分辨率高，但采集時(shí)間長(zhǎng)；快照式高光譜成像（SHSI）雖然能在單次曝光中獲取光譜數(shù)據(jù)，卻往往需要犧牲空間分辨率。與此同時(shí)，濾光片、掃描結(jié)構(gòu)等元件還會(huì)造成大量光子損耗，在弱光或單光子級(jí)應(yīng)用中尤其受限。

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QCHSI：用量子關(guān)聯(lián)解耦空間與光譜信息

在量子關(guān)聯(lián)高光譜成像（QCHSI）中，研究人員證明了糾纏光子對(duì)可以克服分辨率和效率方面的問(wèn)題。由自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)存在時(shí)間相關(guān)和光譜反相關(guān)的特性。一束 405.5 nm 的CW激光聚焦在 1 mm 厚（或者稱為相互作用長(zhǎng)度）的 Type-0型PPKTP晶體上，通過(guò)SPDC產(chǎn)生中心波長(zhǎng)約811 nm、帶寬約100 nm的糾纏光子對(duì)，并利用 D 型反射鏡將信號(hào)光子和閑置光子分離 。其中信號(hào)光子直接用于照射目標(biāo)，在時(shí)間戳相機(jī)成像記錄空間信息和每個(gè)光子到達(dá)的時(shí)間和位置。而閑頻光子未與目標(biāo)發(fā)生相互作用，被送入衍射光柵以及基于同一臺(tái)相機(jī)搭建的光譜儀。隨后，通過(guò)基于光子到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性，將空間信息和光譜信息重新匹配。

在這個(gè)過(guò)程中體現(xiàn)了QCHSI的核心優(yōu)勢(shì)——信息解耦！信號(hào)臂負(fù)責(zé)空間信息，而閑頻臂負(fù)責(zé)光譜信息，并通過(guò)時(shí)間符合將兩者重新綁定。由于光譜儀只占相機(jī)邊緣的幾行像素，幾乎無(wú)需犧牲成像空間分辨率來(lái)?yè)Q取光譜信息，提升了成像的效率。

Covesion可以為您做什么？

該方案的核心在于高質(zhì)量的SPDC光源，而這很大程度上取決于晶體的選擇。Covesion可為量子成像、SPDC光源實(shí)驗(yàn)提供多樣化PPKTP與ppln晶體解決方案。

無(wú)論您需要類似文獻(xiàn)中1 mm的短PPKTP晶體，或是想要提高光譜分辨率，通過(guò)Type-II SPDC產(chǎn)生帶寬更窄的光子。此外，還可利用非簡(jiǎn)并光子對(duì)源在差異極大的光譜窗口內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)泵浦波長(zhǎng)、目標(biāo)輸出波長(zhǎng)、帶寬、晶體長(zhǎng)度和相位匹配條件定制Type-0或Type-II PPKTP晶體，Covesion都可以提供相應(yīng)支持。

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)的公司，提供350nm~6000nm全波段波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品解決方案，專注于高效MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導(dǎo)的研究、開(kāi)發(fā)和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務(wù)，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

星朗浩宇/昊量光電作為英國(guó)Covesion在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等。

參考文獻(xiàn)

Zhang, Yingwen, Duncan England, and Benjamin Sussman. "Snapshot hyperspectral imaging with quantum correlated photons." Optics Express 31.2 (2023): 2282-2291.

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