徐炳鑫，來(lái)自山東省臨沂市沂水縣。其本科和博士均畢業(yè)于上海交通大學(xué)。

博士畢業(yè)之后，他來(lái)到德國(guó)馬普所量子光學(xué)所教授、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主特奧多爾·亨施（ Theodor H?nsch ）課題組從事博士后研究。

圖 | 徐炳鑫（來(lái)源：徐炳鑫）

前不久，他在 Nature 發(fā)表了一篇一作論文。研究中，他和所在團(tuán)隊(duì) 將雙光梳光譜的全部功能擴(kuò)展到近紫外波段和低光功率條件下，開(kāi)啟了精密光譜、生物醫(yī)學(xué)傳感和環(huán)境大氣探測(cè)方面的新應(yīng)用。

（來(lái)源： Nature ）

通過(guò)光子能量層級(jí)干涉儀，徐炳鑫等人克服了低非線性頻率轉(zhuǎn)換效率帶來(lái)的挑戰(zhàn)。對(duì)于將雙光梳光譜擴(kuò)展到更短的波長(zhǎng)，本次研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在原子電子躍遷和分子振轉(zhuǎn)躍遷研究、基礎(chǔ)物理和量子電動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證、基本常數(shù)確定、精密測(cè)量、光鐘、大氣化學(xué)和天體物理光譜、強(qiáng)場(chǎng)物理等方面，紫外光譜學(xué)均具有關(guān)鍵的研究意義。

本次成果的主要意義聚焦在紫外精密光譜和基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域。此外， 由于可以工作在非常低的功率之下，因此該成果將同樣適用于生物醫(yī)學(xué)傳感、以及樣品容易受到輻射損傷的應(yīng)用場(chǎng)景。

（來(lái)源： Nature ）

據(jù)介紹，徐炳鑫于 2021 年 8 月加入該團(tuán)隊(duì)之后，便主持啟動(dòng)了近紫外光子計(jì)數(shù)雙光梳光譜項(xiàng)目，并且負(fù)責(zé)搭設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

這一課題的主要目的是：利用雙光梳光譜學(xué)推進(jìn)紫外光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，力爭(zhēng)為以紫外光譜學(xué)為基礎(chǔ)的研究方向鋪平道路。

徐炳鑫所在團(tuán)隊(duì)本身在光譜領(lǐng)域積淀很深。領(lǐng)導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)室的特奧多爾·亨施（ Theodor H?nsch ）教授是光學(xué)頻率梳的共同發(fā)明人之一。

Theodor H?nsch  曾憑借相關(guān)成果，與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院教授約翰·霍爾（ John Hall ）分享了 2005 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

徐炳鑫所在團(tuán)隊(duì)的另一位教授納塔利·皮克（ Nathalie Picqué ），也是雙光梳光譜學(xué)的先驅(qū)者之一。

自 2020 年，課題組開(kāi)始研究低功率雙光梳光譜的可行性，并在近紅外波段進(jìn)行了初步的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

雙光梳光譜學(xué)，是一種使用光學(xué)頻率梳光源的大帶寬高分辨率光譜測(cè)量技術(shù)。

光學(xué)頻率梳（即光梳），由等間距相位相干的梳齒構(gòu)成，它可以作為一把尺子來(lái)精確地測(cè)量光的頻率，因此是光學(xué)計(jì)量和光譜測(cè)量領(lǐng)域之中最重要的光源。

雙光梳光譜，可以記錄兩個(gè)重復(fù)頻率中存在微小差異的光梳光源之間的干涉圖樣。

在時(shí)域上，表現(xiàn)為兩個(gè)重復(fù)周期有微小差異的超短脈沖之間進(jìn)行的等效時(shí)間采樣；在頻域上，表現(xiàn)為兩個(gè)有微小梳齒間隔差異光梳的多外差探測(cè)。

雙光梳光譜不受傳統(tǒng)光柵光譜儀的幾何限制，也不受傅里葉光譜儀的機(jī)械掃描速率限制，在分辨率、準(zhǔn)確度和測(cè)量速度上均擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。

此前，在紅外波段氣體吸收光譜測(cè)量領(lǐng)域，人們使用雙光梳光譜取得了顯著的成功。

而紫外光譜學(xué)，則在多個(gè)領(lǐng)域具有關(guān)鍵的研究意義。因此，將雙光梳光譜技術(shù)拓展到紫外短波長(zhǎng)波段，一直是學(xué)界渴望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

由于不存在可以直接在紫外波段發(fā)光的相干光源，因此非線性頻率上轉(zhuǎn)換，是產(chǎn)生紫外激光的必要手段，而這會(huì)讓轉(zhuǎn)換效率和光功率面臨著一定的挑戰(zhàn)。

當(dāng)波長(zhǎng)范圍越短，所需要的非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程就越多，相應(yīng)的功率損失就越大，這給紫外雙光梳光譜造成很大的限制。同時(shí)，這也是紫外波段光學(xué)測(cè)量普遍面對(duì)的問(wèn)題。

此前，在解決上述問(wèn)題時(shí)，人們更多采用提高紅外泵浦激光功率的技術(shù)路線。

然而，噪聲、更高的成本、更復(fù)雜的系統(tǒng)，是使用高功率激光時(shí)所不可避免的。

而雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng)本身比較復(fù)雜，由于需要維持兩個(gè)光梳光源的互相干性，這讓實(shí)現(xiàn)紫外雙光梳光譜變得更加困難。

（來(lái)源： Nature ）

基于此，徐炳鑫等人希望提出一個(gè)功率較低的技術(shù)路線。對(duì)于雙光梳光譜來(lái)說(shuō)，一般需要中等強(qiáng)度的探測(cè)功率，通常在百微瓦（10 ^-6 W）的量級(jí)。

而在本次研究中，該團(tuán)隊(duì)證明雙光梳光譜可以在光子級(jí)功率場(chǎng)景下有效地工作。

實(shí)驗(yàn)中，平均探測(cè)功率小于 50 皮瓦（10 ^-12 W），僅為通常所需探測(cè)功率的不到百萬(wàn)（10 ⁶ ）分之一。

據(jù)了解，他們將紅外波段中心波長(zhǎng)在 1560nm 附近的兩個(gè)相干光梳光源，分別先后經(jīng)過(guò)周期性極化鈮酸鋰晶體和鉍硼酸晶體。

光在晶體中的進(jìn)行兩次非線性頻率上轉(zhuǎn)換，借此產(chǎn)生一對(duì)中心波長(zhǎng)在 390nm 附近的紫外光梳光源。

徐炳鑫表示，實(shí)驗(yàn)所需的泵浦光源功率僅為不到 400 毫瓦。而其中一個(gè)紫外光梳光源，經(jīng)過(guò)一個(gè)加熱的銫原子氣室、以及記錄銫原子的吸收譜線之后，能與另一個(gè)重復(fù)頻率有微小差異的紫外光梳光源疊加，并由單光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行探測(cè)。

期間，所產(chǎn)生的光子計(jì)數(shù)非常少，平均一個(gè)光子計(jì)數(shù)需要 20 多個(gè)光梳的重復(fù)周期。

如果僅僅觀察一個(gè)掃描計(jì)數(shù)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果看起來(lái)不具有任何意義。然而，當(dāng)他們將完全相同的掃描計(jì)數(shù)過(guò)程重復(fù) 10 萬(wàn)次甚至 100 萬(wàn)次后，就能在統(tǒng)計(jì)直方圖中觀察到雙光梳干涉信號(hào)。

在重復(fù)的掃描計(jì)數(shù)過(guò)程中，光子的統(tǒng)計(jì)特性得以恢復(fù)。隨著累積時(shí)間的增加，信噪比也可以得到進(jìn)一步提高。

當(dāng)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化之后，可以得到梳狀的射頻頻率。而在頻譜之上，記錄著銫原子的吸收譜線。值得注意的是，這時(shí)的射頻頻率可以映射到光學(xué)頻率。

在 100 秒累積時(shí)間下，他們測(cè)量了銫原子（1 ³³ C）6S _1/2 -8P _1/2   和 6S _1/2 -8P _3/2   躍遷譜線的幅度譜和相位譜，光譜測(cè)量的平均信噪比達(dá)到 200。

實(shí)驗(yàn)中，高信噪比的測(cè)量結(jié)果充分證明了本次方案的有效性和可靠性。

同時(shí)，所測(cè)得的光譜信噪比，與光子計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)平方根關(guān)系，這證明紫外波段實(shí)驗(yàn)的信噪比達(dá)到了量子噪聲限制。

隨后，他們針對(duì)光子計(jì)數(shù)雙光梳光譜信噪比的理論模型進(jìn)行推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)這與實(shí)驗(yàn)中得到的信噪比結(jié)果相吻合。

在此基礎(chǔ)之上，他們又對(duì)躍遷譜線的絕對(duì)光學(xué)頻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的相對(duì)不確定度達(dá)到 10 ^-9 。

此外，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中證明：光子計(jì)數(shù)雙光梳光譜，對(duì)于飛秒鎖模激光器同樣具有適用性。

事實(shí)上，利用單光子計(jì)數(shù)來(lái)探測(cè)兩個(gè)獨(dú)立光梳光源之間干涉信號(hào)的想法是反直覺(jué)的。

光子由探測(cè)事件所定義，需要將所有量子路徑的概率幅度相加起來(lái)，從而預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致探測(cè)器檢測(cè)到光子計(jì)數(shù)的概率。

而當(dāng)徐炳鑫的導(dǎo)師 Theodor H?nsch  首次觀察到干涉信號(hào)從光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)中出現(xiàn)時(shí)說(shuō)道：“我對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到激動(dòng)不已。

即使在激光光譜領(lǐng)域工作了 50 多年，對(duì)我來(lái)說(shuō)探測(cè)到的單個(gè)光子可以‘感知’具有大量梳齒的兩個(gè)光梳光源、以及樣本的復(fù)雜光譜，這似乎是相當(dāng)違反直覺(jué)的?！?/span>

而對(duì)于相關(guān)論文，評(píng)審專家也給予了高度評(píng)價(jià)。審稿人評(píng)價(jià)稱， 本次工作是紫外光譜和雙梳光譜領(lǐng)域的一項(xiàng)非常重大的進(jìn)步，并表示本次成果在短波長(zhǎng)這一新的光學(xué)前沿領(lǐng)域具有重要意義。

日前，相關(guān)論文以《近紫外光子計(jì)數(shù)雙光梳光譜學(xué)》（ Near-ultraviolet photon-counting dual-comb spectroscopy ）為題發(fā)在  Nature [1]。

徐炳鑫是第一作者，美國(guó)南加州大學(xué)助理教授 陳在俊 是第二作者，德國(guó)馬普所量子光學(xué)所教授納塔利·皮克（ Nathalie Picqué ）擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源： Nature ）

而在未來(lái)，課題組計(jì)劃在德國(guó)柏林 Max-Born 非線性光學(xué)和短脈沖光譜學(xué)研究所將本次方案，向更短波長(zhǎng)的深紫外、或極紫外波長(zhǎng)范圍推進(jìn)。徐炳鑫也打算在博后聘期到期之前，尋找國(guó)內(nèi)高校的科研崗位。