应用文档 | 基于时间相关单光子计数法的双光梳光谱和绝对距离测量

实验采用中心波长为 1550 nm、重复频率约 200 MHz、重复频率差为 7 kHz 的双光梳系统，在单光子探测器前使用衰减器将接收光衰减到约 500 fW，平均每根梳齿的探测功率低于 130 aW。在如此低的光功率下，单个干涉周期内只能获得极少量的有效光子事件，因此需要通过长时间统计累积重建干涉图。 

实验以 H¹³C¹⁴N 气体为样品，依次测量 1528–1538 nm 和 1548–1558 nm 两个波段。每个波段分别累积10小时，最终获得两个 10 nm 宽的光谱区间，总光谱覆盖范围达到 20 nm。

将实验获得的吸收光谱与 HITRAN2020 标准数据库进行比较，可以看到二者具有良好的一致性。重建光谱的基线较为平坦，实验结果与数据库参考光谱之间的残差较小，表明即使在极低探测功率下，光子计数双光梳仍能完成宽带、高分辨率光谱测量。

图3 光子计数双光梳光谱测量结果：黑色实线为实验吸收光谱，红色虚线为经翻转显示的 HITRAN2020 参考光谱，蓝色实线为二者残差并向下平移1个单位。

采用与上述实验相同的核心器件和双光梳设置，改变测试光路即可推广至精密测距领域。

在测距实验中，系统分别采集参考光路和测量光路产生的光子事件，并根据光子到达时间重建双光梳测距干涉信号。实验对5个位移台位置进行了测量，每个位置持续采集3分钟，以获得具有足够信噪比的干涉图。

在完成干涉图重建后，可以采用两种方式提取距离信息：飞行时间法 (time of flight，TOF) 根据干涉信号的时间位置计算绝对距离；多波长干涉法 (multi-wavelength interferometry，MWI) 则进一步利用不同光学频率成分之间的相位关系实现精细测量。

测量结果与位移台设定位置具有良好的一致性，二者之间的残差较小。在该实验条件下，飞行时间法的测量重复性达到亚微米量级，多波长干涉法则进一步达到亚纳米量级。

图4 单光子双梳测距结果(a)(b)与位移台位置匹配程度、(c)测距精度

在上述实验系统中，精确记录每个光子的到达时间，并确定该光子事件对应的干涉周期，是数据采集与分析的关键。只有确定了大量离散的光子事件的时序关系，才能通过统计累积重建原本无法直接观测的干涉波形。

与仅输出累计计数的采集方法不同，Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 可以完整保留每个事件的完整时间戳。研究人员能够根据不同实验需求，在软件中调整采样区间、时间分箱和数据处理方式，并利用同一组原始时间戳开展光谱、测距或其他后续分析。

同时，SwabianInstruments - 施瓦本仪器® 独特的连续流式数据采集、多通道同步采集能力和灵活的软件接口，也便于用户定制开发不同的双光梳实验系统，并进一步构建与具体应用需求相匹配的数据采集和自动化测量流程。