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江苏激光联盟导读：
两个运动员以几乎同样的速度到达重点线 ， 怎样辨别两人先后？科罗拉多大学博尔德分校一团队借助激光设计的新型秒表能观察到更微观的世界 ， 让差异更明显、特性更清晰！
科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在《Optica》杂志上公布了其研究结果——他们设计出了一个新型秒表（迄今为止最精确的一种） ， 这一设计不是为了给奥运会短跑运动员和游泳运动员计时 ， 而是为了计算单个光子 ， 或者光的微小能量构成 。 这一研究是耗资2500万美元新启动的量子系统研究的一个重要部分 。 该团队的发明可助力一系列成像技术的重大改进——从绘制整个森林和山脉的传感器 ， 到可以诊断阿尔茨海默氏症和癌症等人类疾病的更详细的设备 。
一条城市街道的激光雷达图像 来源：cnBeta.COM【探测器|锚定成像优化，激光助力新型量子“秒表”的诞生】
据这项研究的主要作者、博尔德分校电气计算机和能源工程系的博士后研究员Bowen Li介绍 ， 这项研究的重点是一种叫做时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting-TCSPC)、被广泛应用的技术 ， 其工作原理有点像大家在奥运会上看到的计时器——首先用激光照射选择的样本(样本范围可从单个蛋白质到巨大的地质构造） ， 然后记录反射回它们的光子 。 研究人员收集的光子越多 ， 他们就越能了解这个物体 。 这些收集的光子就相当于一个个“信使” 。 TCSPC然后会计算光子总数、记录每一个光子击中探测器的时间 。 这的确与秒表十分相似！现在的秒表越来越高端、方便了 。 Li和他的同事们使用了一种被称为“时间透镜（timelens）”的超快光学工具 ， 可以以比现有工具精确100多倍的精度测量光子的到达 。 这项新研究的通讯作者Shu-Wei Huang补充说：“我们小组的量子时间透镜具有强大适应性 ， 甚至可以与市场上最便宜的TCSPC设备一起工作 ， 从而提高其单光子计时分辨率 。 ”
终点摄影
TCSPC可能不是一个家喻户晓的名字 。 但是这项最早于1960年开发的技术已经彻底改变了人类看待世界的方式 。 这些光子计数器是激光雷达(或光探测和测距)传感器的重要组成部分 ， 而这些传感器可被用来创建地质图 。 它们还出现在一种更小规模的成像方法中 ， 称为荧光寿命成像显微术（fluorescence lifetime microscopy） 。 医生利用这项技术来诊断黄斑变性、阿尔茨海默病和癌症等疾病——将一束光照射到他们的目标上 ， 然后测量发射一个光子需要的时间 ， 这一时间会告诉医生该目标物的多种属性（如细胞的新陈代谢） 。 然而 ， 传统的TCSPC工具计时精确性较局限 。 如果两个光子到达你设备时距离太近——比如相隔100万亿分之一秒或更短 ， 探测器会将它们记录为单个光子 。 这有点像记录两个短跑运动员在100米短跑中的冲刺 。 这种微小的不一致听起来像是吹毛求疵 ， 但它们的确会产生很大的不同 。时间透镜
为解决上面提到的问题 ， Li和他的同事们决定尝试“时间透镜” 。 “在显微镜中 ， 我们使用光学透镜将一个小物体放大成一个大图像 。 我们的时间镜头以类似的方式工作 ， 两者唯一的不同就在于后者的目标是时间 。 \"
ToF（Time of Flight深度摄像头的一种）三维成像 (a) 样品图 (b)使用TM-TCSPC获得的3D图像 。 (c)使用常规TCSPC获得的3D图像 。 (d)沿白色虚线将高度剖面图与TM-TCSPC(红色轨迹)和传统TCSPC(黑色轨迹)进行比较将两个光子想象成两个赛跑运动员并驾齐驱 ， 近到奥运会计时员无法区分它们 。 Li和他的同事们的解决之道就是将两个光子之间的距离放大 。 他们让这两个光子通过由石英纤维环组成的时间透镜 ， 在这个过程中 ， 一个光子减速 ， 而另一个光子加速 。 “跑步者”之间不再是势均力敌的比赛 ， 而是存在很大差距 ， 并且探测器可以把这些差距记录下来 。 该团队发现 ， 这种策略非常有效——内置时间透镜的TCSPC设备可以区分到达探测器的光子先后 ， 即使其间隔为几百万亿分之一秒 。 现如今时间透镜在科学实验室尚未大规模普及 ， 该团队希望这一工具可以用来进行更多、更广泛的探索 ， 以前所未有的清晰度观察大大小小的事物 ， 让时间差异更明显、让物体特性更显著！来源：Bowen Li et al Time-magnified photon counting with 550-fs resolution Optica (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.420816
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