【摘要】 红外光谱已经成为科学和工业中不可或缺的工具，在产品检测、环境传感和安全检查等方面有着广泛的应用

在过去的半个世纪里，红外光谱技术的进步使得快速、无损的材料鉴定和分子识别成为可能。红外光谱已经成为科学和工业中不可或缺的工具，在产品检测、环境传感和安全检查等方面有着广泛的应用[1]。然而，由于探测器灵敏度低、红外区域光源效率低，传统的红外光谱分析存在技术困难。最近，Kalashnikov等人提出并论证了基于低增益非线性干涉仪的红外量子吸收光谱(IRQAS)技术。

 

在这种方法中，与感兴趣的样品相互作用引起的红外光子的光学损耗和/或相位延迟信息可以转换为相关可见光光子的产生概率。IRQAS的这一特性使我们能够提取样品的红外光学特性，只需要一个可见光源和探测器。在实际实施IRQAS时，需要对可见光子光谱进行光谱解析，并定量评价各波长干涉图的可见性，从而获得红外吸收光谱。由于光子对源通常基于光学非线性晶体中的自发参数下转换(SPDC，发射具有有限带宽的红外-可见光光子对，因此如果没有光谱滤波成分，则测量的干涉图是光谱平均的。获得光谱分辨干涉图的最直接方法是使用色散光学使可见光在空间中传播其光谱成分，实验证明使用摄谱仪或单色仪。

 

图1. 非线性迈克尔逊干涉仪原理图[1]

 

考虑一个非线性迈克尔逊干涉仪，示意图如图1所示。在该装置中，频率为ωp的单色泵浦光通过非线性光学晶体两次，触发两个连续的光子对生成过程。在通过晶体的第一个通道中，泵浦光子通过SPDC转换成光子对。遵循Refs中的方法来描述在低增益条件下非线性干涉仪中频率相关光子对的产生和演化，其中多光子发射可以忽略不计。为简单起见，假设所有SPDC光子都以共线几何形状产生，并且在干涉仪的泵浦和信号路径内没有光损耗。SPDC光子的最终态由两个态的叠加得到，分别由第一个和第二个SPDC过程产生的ψ1和ψ2（图2）。

 

图2. 非线性干涉仪中SPDC光子对产生和模式转换原理图[1]

 

总之，建立了一个QFTIR光谱的理论框架，并通过实验验证了该方法的有效性。该分析方法能够测量样品的复透射率并计算复值光学常数，而无需使用Kramers-Kronig变换。

 

[1] Y. Mukai, M. Arahata, T. Tashima, R. Okamoto, and S. Takeuchi Phys. Rev. Applied 15, 034019 – Published 8 March 2021.

 

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