案例分享|"鬼光谱"突破高光谱取舍：PPKTP量子成像方案

高光谱成像一直有个让人头疼的矛盾：想要光谱分辨率，就得牺牲空间分辨率，或者反之。而在量子成像领域，基于纠缠光子对“鬼成像"已展现出突破传统光学探测边界的潜力。而当量子关联从空间维度延伸至光谱 — 时间维度，高光谱成像也迎来了新的技术路线。

近期，来自加拿大国家研究委员会的研究团队提出一种量子关联高光谱成像技术（QCHSI）。该方案利用PPKTP晶体通过自发参量下转换（SPDC）产生高质量纠缠光子对，将量子鬼成像的关联测量思想与快照式高光谱成像结合，在不显著牺牲空间分辨率的前提下，实现了单光子级、高效率的快照高光谱成像。

高光谱成像的传统瓶颈

高光谱成像（HSI）可以同时获取目标二维空间信息与一维光谱信息，广泛应用于环境监测、农业遥感、生物技术、医疗诊断和食品分析等领域。

传统高光谱成像通常依赖空间或光谱扫描，虽然分辨率高，但采集时间长；快照式高光谱成像（SHSI）虽然能在单次曝光中获取光谱数据，却往往需要牺牲空间分辨率。与此同时，滤光片、扫描结构等元件还会造成大量光子损耗，在弱光或单光子级应用中尤其受限。

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QCHSI：用量子关联解耦空间与光谱信息

在量子关联高光谱成像（QCHSI）中，研究人员证明了纠缠光子对可以克服分辨率和效率方面的问题。由自发参量下转换（SPDC）产生的纠缠光子对存在时间相关和光谱反相关的特性。一束 405.5 nm 的CW激光聚焦在 1 mm 厚（或者称为相互作用长度）的 Type-0型PPKTP晶体上，通过SPDC产生中心波长约811 nm、带宽约100 nm的纠缠光子对，并利用 D 型反射镜将信号光子和闲置光子分离 。其中信号光子直接用于照射目标，在时间戳相机成像记录空间信息和每个光子到达的时间和位置。而闲频光子未与目标发生相互作用，被送入衍射光栅以及基于同一台相机搭建的光谱仪。随后，通过基于光子到达时间的相关性，将空间信息和光谱信息重新匹配。

在这个过程中体现了QCHSI的核心优势——信息解耦！信号臂负责空间信息，而闲频臂负责光谱信息，并通过时间符合将两者重新绑定。由于光谱仪只占相机边缘的几行像素，几乎无需牺牲成像空间分辨率来换取光谱信息，提升了成像的效率。

Covesion可以为您做什么？

该方案的核心在于高质量的SPDC光源，而这很大程度上取决于晶体的选择。Covesion可为量子成像、SPDC光源实验提供多样化PPKTP与ppln晶体解决方案。

无论您需要类似文献中1 mm的短PPKTP晶体，或是想要提高光谱分辨率，通过Type-II SPDC产生带宽更窄的光子。此外，还可利用非简并光子对源在差异极大的光谱窗口内对样品进行探测。根据泵浦波长、目标输出波长、带宽、晶体长度和相位匹配条件定制Type-0或Type-II PPKTP晶体，Covesion都可以提供相应支持。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，提供350nm~6000nm全波段波长转换产品解决方案，专注于高效MgO:PPLN / PPKTP 晶体与波导的研究、开发和制造。此外，Covesion还提供定制晶体服务，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。
 

参考文献
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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