光譜學主要研究光和物質之間的相互作用與波長之間的關系，廣泛應用于基礎研究和工程技術的各個方面。傳統(tǒng)的光譜儀都需要一些色散或干涉元件，結構復雜、制備困難、價格比較昂貴，而且光譜通道數(shù)有限。另一方面，單光子探測器的研究近年來也十分受到重視，尤其是超導納米線單光子探測器 （ SNSPD ） 是一個很有前途的選擇，其光譜響應范圍寬（從紫外線到中紅外）、量子效率高、時間抖動小、計數(shù)速率高、暗計數(shù)低，還可以與納米光電路實現(xiàn)片上集成。但是，到目前為止，單光子探測器僅用來記錄光子的有無和多少，并沒有關心入射光子的波長特性。
圖1 超導納米線單探測器光譜儀概念圖
南京大學吳培亨院士團隊首次在兩者的結合上取得突破，他們利用超導納米線單光子探測器固有的非線性光譜調制特性，結合計算光譜儀方法，實現(xiàn)了單探測器光譜儀（ single-detector spectrometer, SDS ）。這是一種最簡化的光譜儀，擺脫了對光學分光器件的需求，通過編程探測器測量過程并結合計算重構算法，就能夠對入射光譜進行分辨。實驗演示了從 660nm 至 1900nm 的寬帶測量能力，并在通信波段實現(xiàn)了優(yōu)于 10nm 的光譜分辨率。同時，該團隊還將激光雷達同單探測器光譜儀結合，演示了多光譜激光雷達功能。
圖2 將超導納米線單探測器光譜儀方法應用至多光譜單光子激光雷達，在獲得三維圖像的同時，實現(xiàn)了觀測目標的光譜測量。
該工作為開啟 SNSPD 在光譜測量中的應用提供了一條新的實現(xiàn)途徑。相關研究工作以“ A single-detector spectrometer using a superconducting nanowire” 為題發(fā)表在國際著名期刊《 Nano Letters 》 (Impact factor: 11.189 ) 上 [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393] 。審稿人稱這是一個將 SNSPD 內稟特性進行應用的巧妙工作 (“This is a very clever application of the SNPSD's intrinsic current-bias vs responsivity curve to extract additional information from incoming photons.”) 。光譜儀的靈敏度主要取決于其中的探測器。結合高性能的 SNSPD ，這種光譜儀將在極端弱光環(huán)境下發(fā)揮著重要的作用，例如生物熒光成像、激光光譜雷達和天文觀測。
南京大學電子科學與工程學院博士生孔令東為文章第一作，趙清源教授和陳健教授為論文的通訊作者。涂學湊高工、張蠟寶教授、賈小氫教授和康琳教授協(xié)助探測器方面的制備，物理學院吳興龍教授給予論文修改和數(shù)據(jù)分析上的大力幫助，吳培亨院士對本工作進行深入指導。該項研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高校等基金項目的資助。此項研究工作還得到海外高層次人才計劃（青年），江蘇省雙創(chuàng)、江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程，江蘇省青藍工程，江蘇省電磁波特征信息調控技術重點實驗室、紫金山網(wǎng)絡通信與安全實驗室的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393
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