光譜學(xué)主要研究光和物質(zhì)之間的相互作用與波長(zhǎng)之間的關(guān)系，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)的各個(gè)方面。傳統(tǒng)的光譜儀都需要一些色散或干涉元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備困難、價(jià)格比較昂貴，而且光譜通道數(shù)有限。另一方面，單光子探測(cè)器的研究近年來(lái)也十分受到重視，尤其是超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器 （ SNSPD ） 是一個(gè)很有前途的選擇，其光譜響應(yīng)范圍寬（從紫外線到中紅外）、量子效率高、時(shí)間抖動(dòng)小、計(jì)數(shù)速率高、暗計(jì)數(shù)低，還可以與納米光電路實(shí)現(xiàn)片上集成。但是，到目前為止，單光子探測(cè)器僅用來(lái)記錄光子的有無(wú)和多少，并沒(méi)有關(guān)心入射光子的波長(zhǎng)特性。

圖1 超導(dǎo)納米線單探測(cè)器光譜儀概念圖

南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)首次在兩者的結(jié)合上取得突破，他們利用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器固有的非線性光譜調(diào)制特性，結(jié)合計(jì)算光譜儀方法，實(shí)現(xiàn)了單探測(cè)器光譜儀（ single-detector spectrometer, SDS ）。這是一種最簡(jiǎn)化的光譜儀，擺脫了對(duì)光學(xué)分光器件的需求，通過(guò)編程探測(cè)器測(cè)量過(guò)程并結(jié)合計(jì)算重構(gòu)算法，就能夠?qū)θ肷涔庾V進(jìn)行分辨。實(shí)驗(yàn)演示了從 660nm 至 1900nm 的寬帶測(cè)量能力，并在通信波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 10nm 的光譜分辨率。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還將激光雷達(dá)同單探測(cè)器光譜儀結(jié)合，演示了多光譜激光雷達(dá)功能。

圖2 將超導(dǎo)納米線單探測(cè)器光譜儀方法應(yīng)用至多光譜單光子激光雷達(dá)，在獲得三維圖像的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)目標(biāo)的光譜測(cè)量。

該工作為開啟 SNSPD 在光譜測(cè)量中的應(yīng)用提供了一條新的實(shí)現(xiàn)途徑。相關(guān)研究工作以“ A single-detector spectrometer using a superconducting nanowire” 為題發(fā)表在國(guó)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(gè)將 SNSPD 內(nèi)稟特性進(jìn)行應(yīng)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(cè)器。結(jié)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(dá)和天文觀測(cè)。

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(xué)湊高工、張蠟寶教授、賈小氫教授和康琳教授協(xié)助探測(cè)器方面的制備，物理學(xué)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(duì)本工作進(jìn)行深入指導(dǎo)。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校等基金項(xiàng)目的資助。此項(xiàng)研究工作還得到海外高層次人才計(jì)劃（青年），江蘇省雙創(chuàng)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程，江蘇省青藍(lán)工程，江蘇省電磁波特征信息調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、紫金山網(wǎng)絡(luò)通信與安全實(shí)驗(yàn)室的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393