做弱光光谱的科研同仁，大概率都遇到过类似的困境：单分子荧光、弱拉曼散射、量子光源表征、近红外长波检测…… 信号本身就弱到近乎消失，传统基于半导体探测器的光谱仪要么信噪比惨不忍睹，要么得拉满积分时间熬几个小时，还不一定能拿到干净可靠的谱线。尤其到 1700 nm 以上的长波近红外区，商用 InGaAs 探测器的灵敏度更是直线下降，很多极弱光实验根本无从开展。

Qumi 系列单光子级科研仪器再添新成员 ——高灵敏度单光子光谱检测系统Qumi-Spectra正式推出。依托十余年超导纳米线单光子探测器（SNSPD）全栈自研积淀，我们把在量子通信、光量子计算等极限场景反复验证过的单光子探测能力，完整落地到光谱检测场景。两条互补技术路线同时覆盖宽谱高精测量与高速快照测量，从核心芯片、封装工艺到整机系统全链路自主可控，真正把量子级的极限灵敏度，做成科研场景里好用、耐用的实用化仪器。

01 换一条技术路线，突破弱光光谱的灵敏度天花板

传统光谱仪的性能瓶颈，本质上卡在探测器上。硅基、铟镓砷这类半导体探测器，本征噪声高、长波响应差，面对极弱光信号时，有效特征峰往往直接淹没在噪声里，只能靠提高激发功率、延长积分时间硬凑数据 —— 但很多光敏样品、单分子体系根本经不起强光照射，这条路早已走到物理上限。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的出现，从根源上改写了弱光探测的游戏规则：近乎饱和的探测效率、极低的暗计数噪声、覆盖紫外到中红外的宽谱响应、皮秒级时间分辨，天生就是捕捉极弱光信号的 “利器”。但要把 SNSPD 做成好用的光谱仪，绝非 “探测器 + 单色仪” 简单拼接。现有方案普遍面临技术瓶颈：多像素方案带宽与分辨率难以两全，单像素方案灵敏度与速度此长彼消，计算重构方案又存在标定复杂、噪声敏感等问题。

我们从核心器件性能提升与光学系统协同优化两端同时发力，聚焦单像素读出架构，打磨出两条定位清晰、性能扎实的实用化技术路线，兼顾灵敏度、分辨率、带宽与测量速度。

两大技术方案，覆盖全场景弱光光谱需求

光栅扫描式宽谱高效光谱仪：追求极限灵敏度与分辨率

面向对测量速度要求不高，但对灵敏度、分辨率、谱宽要求严苛的场景，我们打造了这套宽谱高精方案，把单光子光谱的综合性能拉到新高度。

图1： Qumi-Spectra光栅扫描式光谱仪结构示意图

配合高分辨光栅单色仪与优化的耦合光路，系统核心性能指标如下：

极限灵敏度达 –125 dBm（信噪比＞5dB），可稳定捕捉比常规检测极限弱数万倍的光信号；

光谱分辨率优于0.1 nm，极限条件下，光谱仪可稳定分辨<0.01 nm的光谱细节；

超宽工作谱段 800–2400nm，覆盖近红外到短波红外全区间，尤其在 1700nm 以上长波区域，灵敏度较商用 InGaAs 探测器光谱仪提升四个数量级，长波弱光检测优势碾压传统方案。

适合场景：单分子光谱、量子光源表征、低维材料弱信号测试、痕量物质检测等追求极限探测精度的实验。

时间拉伸快照式光谱仪：高速测量，捕捉瞬态光谱

针对扫描式光谱速度慢、无法观测动态过程的痛点，我们基于色散傅里叶变换原理，打造了快照式时间拉伸光谱方案 —— 不用机械扫描，单次采集就能拿到完整光谱，真正实现高速动态光谱检测。

图2： Qumi-Spectra时间拉伸快照式光谱仪结构示意图

搭配高色散系数补偿光纤，系统实现了速度与性能的均衡：

毫秒级甚至更快完成单次光谱测量，全程保持单光子级灵敏度；

约 700 nm 工作带宽，宽谱范围内一次性完成光谱数据采集；

约 1 nm 光谱分辨率，满足绝大多数动态场景的谱分辨需求。

特别适合瞬态过程、动态光谱成像、脉冲光谱分析等时间分辨场景。

03 不止于量子，赋能多领域弱光光谱研究

这套单光子光谱系统的能力，早已不局限于量子信息领域，凡是面临 “信号弱、噪声大、测不准” 痛点的光谱场景，都能发挥显著价值：

量子光子学：单光子源光谱表征、量子通信波段光谱分析、纠缠光子对光谱测量、微纳光子器件性能测试；

生物与分子科学：单分子荧光光谱检测、低浓度弱拉曼光谱、深层生物组织近红外光谱、活体动态光谱监测；

材料与光电器件：低维半导体材料光电特性表征、薄膜材料弱吸收光谱、光子晶体 / 超表面光谱测试；

前沿交叉领域：天文极弱光谱探测、环境痕量气体检测、微区光谱成像、瞬态光谱动力学研究。

结语

从千公里光纤中捞出单个光子，到极弱光下分辨每一条精细谱线，底层的技术逻辑始终相通：极致地管控每一个光子，极致地从噪声中提取有效信号。

Qumi 系列从显微成像拓展到光谱检测，变的是应用场景，不变的是我们把量子级硬核技术下沉到科研仪器里的初心。我们不想做只存在于实验室的炫技样品，而是要做出真正能帮科研人解决实际问题、稳定好用的单光子级科研仪器。

目前两套单光子光谱方案均已开放测试与定制合作，无论是极限弱光光谱检测，还是高速瞬态光谱测量，都欢迎有需求的科研同仁交流探讨，一起解锁更多被噪声遮蔽的微观光谱信息。

责任编辑：kj005

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