中红外（2.5-25 μm）波段能够覆盖复杂分子的振动和转动能级跃迁，揭示多种分子的基础吸收带和复杂化合物独特的光谱特征。因此，高效分析工具——超灵敏中红外光谱探测，成为智能生化传感、新兴材料研究、环境气体监测、高精度医学层析成像等领域的重要测量手段.

近年来，随着非线性频率上转换技术的进步，基于频率上转换的中红外光谱探测技术表现出显著的科研潜力。该技术利用强泵浦光场作用于非线性光学材料，将中红外光子耦合转换至近红外或可见光波段进行探测，从而规避了现有中红外探测器噪声大的不足，成为了一种有效的中红外直接光谱探测的替代方案，有望在中红外光谱探测灵敏度、探测效率、响应速度、成本效益等方面取得重要突破。

现有对中红外光谱探测系统的研究成果表明，进一步扩大中红外频率上转换技术的超灵敏、宽频段的优势，可使其更广泛适用医学、生物等领域的应用。然而，基于多种非线性光学材料的宽带中红外频率上转换系统往往需要强泵浦场来提升宽带转换效率，且系统在短波泵浦模式下工作，强泵浦场导致的非线性参量噪声将覆盖中红外波段，使得实现超灵敏的宽带中红外光谱探测极具挑战。

为解决上述问题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武愕、陈昱、蔡羽洁等研究团队基于非简并光子对的时间-光谱量子关联技术，提出了一种低功耗、强鲁棒性的高灵敏中红外单光子光谱探测方案，实验验证了单光子水平光子通量下的中红外样品光谱测量。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。

该文章报道了一种极低光子通量条件下的中红外上转换光谱测量方案。该方案利用结合同步频率上转换技术的非简并关联光子、对时间-光谱量子关联特性实现了单光子水平的中红外上转换光谱探测，降低了强泵浦非线性噪声和环境噪声对中红外光谱测量的影响，大幅度提高单光子水平下的中红外光谱测量灵敏度和鲁棒性。

相比于传统FTIR光谱探测方案，基于时间-光谱量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱系统，既能够利用光子对的时间关联、频率关联量子特性降低频率上转换过程中多种噪声的影响，将中红外光谱测量灵敏度推进至单光子水平；又能使单光子探测器和单色仪等元件工作在其最优的工作波段，无需受待测样品特征波长的限制，拓展了系统的应用场景。系统高灵敏、低噪声、强鲁棒性、结构简单的优势，为光敏生化样品的中红外光谱测量提供了新的技术方案。后续将进一步开展更宽中红外带宽、更高灵敏度、更高信噪比的上转换光谱成像研究。

图（a）单光子频率上转化量子光谱系统图；（b）38μm厚聚苯乙烯薄膜透射光谱