中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
SM6组供稿
第71期
2015年12月31日
相干焉否单光子？成败荣辱一噪声—飞秒时间分辨荧光光谱新方法取得新进展
“与其临渊羡鱼，不如退而结网”这一谚语是告诫那些手中没有工具的人，不要在别人收获的季节去凑热闹，幻想着去分一杯羹，而是静下心来，好好去打造自己的工具，等待属于自己的机会。这句古训不仅仅是古人生存经验的总结，对今日现代科学研究的指点也寓意犹新。
光合作用基础研究其重要性是不言而喻的，该领域所采用的研究手段几乎涵盖了人类科学史上最为先进的技术。随着色素蛋白复合体晶体结构解析工作的不断推进，对其功能及微观机理研究的需求也日益迫切。超快时间分辨荧光光谱是揭示诸如自然光合作用系统及人工模拟光电转换体系中原初能量和电荷转移过程的重要工具。目前商用设备主要是日本滨松公司出产的条纹相机，造价相对昂贵，时间分辨率受电子学RC电路时间常数的限制，极限分辨率约1皮秒左右。其他实验室方法如荧光非线性光学晶体上频变换及光学克尔门方法都有各自的优缺点。如何建立适合光合作用原初过程超快能量传递和电荷转移过程研究的飞秒时间分辨荧光光谱研究方法及测量手段一直是中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质实验室翁羽翔研究组追求的目标之一。自2003年起，该课题组就着手开展飞秒时间分辨荧光光参量放大光谱仪的研究，与条纹相机不同的是，该方法是一种光学放大，原则上其时间分辨率只受激光脉宽的限制，在实现光子信号光-光放大的同时又突破了电子学的RC时间常数的限制。2015年12月29日，Review of Scientific Instruments 发表该研究组题为“Multi-channel Lock-in Amplifier Assisted Femtosecond Time-resolved Fluorescence Non-collinear Optical Parametric Amplification Spectroscopy with Efficient Rejection of Superfluorescence Background”的研究论文（第一作者为博士生毛鹏程），该研究工作终于在这张结了十多年的网上打上了收关的一结，为该方法的普适性和后续的仪器化夯实了基础。
该方法的原理是由美国南乔治亚大学物理系华裔科学家张景园教授于2002年首先提出的，即将荧光光子作为种子信号光注入非线性光学学晶体，在一束高强度的飞秒脉冲泵浦激光作用下实现光参量下转换，将泵浦脉冲激光光子在满足能量守恒和动量守恒的条件下转换成两个频率不同的低频光子，并将荧光光子放大成为一束激光。通过扫描荧光激发脉冲和光参量泵浦激光脉冲间的延时，实现时间分辨荧光光谱的测量。
在一件从来没有尝试过的事情面前，总归有各色各样的问题。然而最大的困难莫过于原理上的困惑，而这种困惑带来的迷茫能够直接摧毁对问题追究的信心。以下便是对这一研究方向面临的困惑和随后的突破做一简单的回顾。
光参量放大. 光学参量放大仅从字面上看是很难明白其所包含的物理过程的。其实该名称脱胎于电子学中参量放大一词。在电子学中，参量放大过程是利用时变电抗参量实现低噪声放大。参量放大器通常由泵浦频率（fP）回路、信号频率(fs)回路、和空闲频率(fi) 回路三部分组成。在该电路中，泵浦波的能量会部分转移到信号波以及由泵浦频率和信号频率差频而成的空闲频率(fi=fp-fs)波中。在参量放大过程中，泵浦频率侧的电路参量受弱信号波的调控，并由此而获得参量放大的名称。光参量放大指的是在非线性光学中，当一束高强度的高频光和一束低强度的低频光同时进入非线性介质中时，出射的低频光及另一束由高频光和低频光差频而得到的更低频率的光将同时获得放大，这一现象和电子学的参量放大在原理上十分相似，由此被称为称光参量放大。
量子噪声.依据量子力学测不准原理，真空态并不意味着绝对的虚无，而是对应能量最低的一个特殊态，即零点能态。 真空态不断产生出瞬态的虚实粒子对并互相湮灭，从而形成和真空态电场零点涨落相关所谓的真空噪声，也叫量子噪声。即使真空态包含零个光子，零点涨落依然存在，这可谓是无中生有。量子噪声的出现是与相应物理量的量子本性相关联的。在某一物理量中，如果相应的量子噪声被放大，量子噪声就能够形成宏观意义上的可测量。在光参量放大过程中，如果只有泵浦光而没有信号光输入的情况下，简单地依照电子学参量放大过程进行类比，就会得出不存在光参量过程的结论。事实上由于真空噪声的存在，单色光的能量涨落导致在各个频率段都有瞬态的光子产生。当这些噪声光子和泵浦光在满足动量守恒的条件（即位相匹配条件）下就能够在非线性光学晶体的出射光方向形成光锥，其截面为如彩虹状的光环（见图1(a)）。这种由量子噪声放大而成的宏观可测光叫做超荧光辐射。这也是光参量过程与电子学参量过程本质上区别的地方，表明光除电磁波属性外所具备的量子属性。然而对超荧光辐射的解释毕竟貌似一种“无中生有”的机制，对于不少信奉“眼见为实”的实验工作者，仍然会心存疑惑，难以升华为一种坚定的物理信念。
哲学拷问：相干光子与非相干光子.2002年张景园教授将单脉冲能量为阿焦耳量级的超微弱相干脉冲激光作为非共线光参量放大的信号光输入，实现了光参量放大输出。相当于输入端每脉冲有7-8个光子, 在此条件下，相应的信噪比还有5左右。 原则上, 当信噪比降低到1时是判断某种测量技术的检测极限，因此，上述技术在检测极限条件下对于相干光子的测量灵敏度可以进一步提高到1.5个光子的水平，接近或达到理论检测极限。 基于上述实验，张景园教授提出将荧光替代相干信号光，有可能实现飞秒时间分辨荧光光谱的测量，并在物理所举办的第一届超快与THz光谱全国会议期间将这一想法告诉给翁羽翔，开展合作研究。然而荧光是一种非相干光子，替代相干光子作为信号光输入，能否被光参量放大谁也没有把握，何况国外的相关实验室也一直没有成功的报道。对于这样风险和回报并存的课题，在下决心之前一直处于徘徊和思索之中，直到有一天忽然想到，如果将相干光不断进行衰减，直到只有一个光子的时候，谁能够判定这个光子是相干光子还是非相干光子？结论是在单个光子的水平上，光的相干性质就消失了，也就是说，非相干光子只要满足位相匹配条件，以及非共线光参量放大有做够的增益，就能够实现荧光光子的光参量放大！
痛失先机.2005年7月的一天，终于在实验室观测到了由染料分子荧光作为信号种子光注入非线性光学晶体、经光参量放大后在超荧光背景环上出现的一个明亮的激光点（见图1（b）），大家都沉浸在无比的喜悦当中。可惜这一喜悦的持续时间并未长久，组里的同学拿来了一篇发表在APL上的论文，波兰科学院的同行已经率先发表了类似的工作。可见，我们还在犹豫和徘徊的时候，别人已经捷足先登了。在科学研究的竞赛中，只承认第一，没有第二。在这种情况下，我们只有奋起直追，并很快就扭转了战局。尽管原理性实验比国外晚了半年(APL,2006,89,061127)，但在该方向的实验研究我们小组在国际上是最深入的。实现了具有150飞秒时间分辨率（受激光脉宽限制），光学放大增益为106， 探测极限在150飞秒时间门内对于非相干荧光光子的数目为15个(J. Opt. Soc. Am. B,2007,24, 1633-1638)。相干光子的数目为单个光子（APL 92, 151109 (2008)）。
从操戈到握手. 我们关于单光子荧光放大瞬态荧光光谱仪测量极限即15个光子论文发表后，竞争对手在无法获得同一量级测量极限的情况下，对我们发表的实验数据产生怀疑并以评论方式质疑我们的实验结果，认为我们在极限条件下测到的并不是荧光光子，而是荧光激发飞秒脉冲激光在溶剂中通过自相位调制而形成的超连续白光相干光子，并推断我们的测量极限应该比15个光子高出数百倍。为了完全排除超连续白光的干扰，利用超连续白光只有前向传播的特点，实验中采用了后向荧光收集光路，从空间上将超连续白光和荧光光子彻底分开，测定了测量极限的上限为19个光子,而且只要给定足够长的数据累加时间，该极限的光子数目还可进一步降低，从而再次确认了该方法所能够达到的测量极限(J. Opt. Soc. Am. B, 2008, 25, 1627-1631)。通过这一轮打斗，澄清了学术上的是非，也赢得了对手的尊重，2009年国际第9届飞秒化学、飞秒生物与飞秒物理大会在北京大学召开，期间波兰科学家访问了我们实验室，大家握手言欢。
巧用量子噪声. 非共线荧光光参量放大具有很高的光学放大增益，同时不同波长的增益倍率严重依赖于泵浦光和信号光的入射角度及非线性光学晶体的切割角，如果不能对时间分辨荧光光谱进行可靠的矫正，那么基于荧光光子非共线光参量放大原理的飞秒时间分辨荧光光谱新方法就难以向实用方向迈进，一切努力也将半途而废。 在迫不得已的情况下，只能祭出超荧光是由真空量子噪声放大而成的理论，因为真空量子噪声谱在理论上是已知的，只要在荧光放大与超荧光环重叠处测量超荧光光谱，将其除以量子噪声的理论谱，就能够获得光参量放大的光谱矫正曲线。结果这一光谱矫正方法获得了成功， 能够给出可靠的时间分辨率荧光光谱（J. Opt. Soc. Am. B , 2009, 26, 1627-1634, Rev. of Sci. Instru. 2013, 84, 073105.
）。这样一来不但将量子噪声变成了该方法内禀的绝对参考光谱，而且也从实验上证实了量子噪声理论谱分布函数的正确性，加持了对真空涨落这一物理原理的信念。
量子噪声信号的剔除.噪声终归是噪声，在精密的测量中必须被剔除。超荧光环和荧光放大后的光斑具有相同的空间及光学特性，构成了荧光放大测量的一个亮背景，采用CCD记录光谱只能减去一个平均背景，而且只有当放大后的荧光光强度高于背景超荧光时，上述方法才凑效，极大地限制了其适用范围。在通常溶液中荧光光谱的测量只有在光学稀释级浓度（≤10-5 M）时,才能反应单个分子的光谱性质，时间分辨荧光光谱也不例外。同时荧光的激发光强应当越低越好，以免损坏样品。因此在上述条件下，参量放大后的荧光强度有可能远低于超荧光环的强度，显然采用CCD背景扣除的方法是无法获得时间分辨荧光谱的。为此，我们采用了32通路锁相放大器与32道光电探测线阵耦合的方法，通过对荧光激发光进行斩波调制，放大的荧光及背景超荧光信号经锁相放大器后，超荧光背景信号产生的直流信号被锁相放大器滤除。锁相放大器可将背景超荧光信号强度降至原先的1/100-1/300。以激光染料罗丹明6G为例，在浓度为10-5M，单脉冲激发光强为70 nJ的条件下，成功地测定了其飞秒时间分辨荧光谱，测量极限约为13个荧光光子，时间分辨率约100飞秒，并在低浓度下观测到单分子周围溶剂的重排过程（<1皮秒）及高浓度下基激复合物的形成过程（>10皮秒）（见图2）。光谱中量子噪声信号的成功剔除得益于和大连理工大学于清旭教授组的合作，实现了探测技术上的创新。
结语.飞秒时间分辨荧光非共线光参量放大光谱仪是在建立一台性能先进、能够投入实用这一明确目的驱动下的研究，是一场典型的持久战。当中经历了对原理的哲学拷问，对物理原理信念的怀疑与加持，以及对先进技术的创新等数个环节，完成了一次创造性的体验。尤其是对于噪声有了更新更美的认识。量子噪声在该过程扮演了一个重要的角色：首先指明了相位匹配的空间位置，然后是为荧光光谱的矫正提供了绝对的标度，最后为了提高测量极限又被无情的剔除。事实上这一研究能够最后获得成功，还要归结于量子噪声自身的魅力。量子噪声被这一正一反的利用过程，倒令人想起了汉朝的悲剧性的人物，开国功臣韩信，后人对其一生的点评为“生死两妇人，成败一萧何”。如果将量子噪声比做韩信，未免显得绝情，不如借用半阕毛泽东吟咏红梅的诗词来赞美量子噪声吧：
俏也不争春
只把春来报
待到山花烂漫时
她在丛中笑。
致谢.感谢合作者美国南乔治亚大学的张景园教授，是他提出了这么富有挑战性的题目。感谢 UC Berkeley的沈元壤教授在研究初期的讨论和指导；感谢杨国桢院士和许祖彦院士在基金申请立项阶段给予的鼓励和推动。感谢基金委信息学部付便翔老师的信任。感谢在这一研究方向上的历届已毕业的博士：陈兴海，韩晓峰，陈海龙，党伟；感谢合作者大连理工大学的于清旭教授和陈珂博士在多道锁相放大器研制方面的合作；物理所赵继民研究员和吴令安研究员在相干光子测量极限方面的合作。
该项目由国家基金委信息学部重点项目和中国科学院知识创新工程重要方向项目的支持。
光合作用基础研究其重要性是不言而喻的，该领域所采用的研究手段几乎涵盖了人类科学史上最为先进的技术。随着色素蛋白复合体晶体结构解析工作的不断推进，对其功能及微观机理研究的需求也日益迫切。超快时间分辨荧光光谱是揭示诸如自然光合作用系统及人工模拟光电转换体系中原初能量和电荷转移过程的重要工具。目前商用设备主要是日本滨松公司出产的条纹相机，造价相对昂贵，时间分辨率受电子学RC电路时间常数的限制，极限分辨率约1皮秒左右。其他实验室方法如荧光非线性光学晶体上频变换及光学克尔门方法都有各自的优缺点。如何建立适合光合作用原初过程超快能量传递和电荷转移过程研究的飞秒时间分辨荧光光谱研究方法及测量手段一直是中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质实验室翁羽翔研究组追求的目标之一。自2003年起，该课题组就着手开展飞秒时间分辨荧光光参量放大光谱仪的研究，与条纹相机不同的是，该方法是一种光学放大，原则上其时间分辨率只受激光脉宽的限制，在实现光子信号光-光放大的同时又突破了电子学的RC时间常数的限制。2015年12月29日，Review of Scientific Instruments 发表该研究组题为“Multi-channel Lock-in Amplifier Assisted Femtosecond Time-resolved Fluorescence Non-collinear Optical Parametric Amplification Spectroscopy with Efficient Rejection of Superfluorescence Background”的研究论文（第一作者为博士生毛鹏程），该研究工作终于在这张结了十多年的网上打上了收关的一结，为该方法的普适性和后续的仪器化夯实了基础。
该方法的原理是由美国南乔治亚大学物理系华裔科学家张景园教授于2002年首先提出的，即将荧光光子作为种子信号光注入非线性光学学晶体，在一束高强度的飞秒脉冲泵浦激光作用下实现光参量下转换，将泵浦脉冲激光光子在满足能量守恒和动量守恒的条件下转换成两个频率不同的低频光子，并将荧光光子放大成为一束激光。通过扫描荧光激发脉冲和光参量泵浦激光脉冲间的延时，实现时间分辨荧光光谱的测量。
在一件从来没有尝试过的事情面前，总归有各色各样的问题。然而最大的困难莫过于原理上的困惑，而这种困惑带来的迷茫能够直接摧毁对问题追究的信心。以下便是对这一研究方向面临的困惑和随后的突破做一简单的回顾。
光参量放大. 光学参量放大仅从字面上看是很难明白其所包含的物理过程的。其实该名称脱胎于电子学中参量放大一词。在电子学中，参量放大过程是利用时变电抗参量实现低噪声放大。参量放大器通常由泵浦频率（fP）回路、信号频率(fs)回路、和空闲频率(fi) 回路三部分组成。在该电路中，泵浦波的能量会部分转移到信号波以及由泵浦频率和信号频率差频而成的空闲频率(fi=fp-fs)波中。在参量放大过程中，泵浦频率侧的电路参量受弱信号波的调控，并由此而获得参量放大的名称。光参量放大指的是在非线性光学中，当一束高强度的高频光和一束低强度的低频光同时进入非线性介质中时，出射的低频光及另一束由高频光和低频光差频而得到的更低频率的光将同时获得放大，这一现象和电子学的参量放大在原理上十分相似，由此被称为称光参量放大。
量子噪声.依据量子力学测不准原理，真空态并不意味着绝对的虚无，而是对应能量最低的一个特殊态，即零点能态。 真空态不断产生出瞬态的虚实粒子对并互相湮灭，从而形成和真空态电场零点涨落相关所谓的真空噪声，也叫量子噪声。即使真空态包含零个光子，零点涨落依然存在，这可谓是无中生有。量子噪声的出现是与相应物理量的量子本性相关联的。在某一物理量中，如果相应的量子噪声被放大，量子噪声就能够形成宏观意义上的可测量。在光参量放大过程中，如果只有泵浦光而没有信号光输入的情况下，简单地依照电子学参量放大过程进行类比，就会得出不存在光参量过程的结论。事实上由于真空噪声的存在，单色光的能量涨落导致在各个频率段都有瞬态的光子产生。当这些噪声光子和泵浦光在满足动量守恒的条件（即位相匹配条件）下就能够在非线性光学晶体的出射光方向形成光锥，其截面为如彩虹状的光环（见图1(a)）。这种由量子噪声放大而成的宏观可测光叫做超荧光辐射。这也是光参量过程与电子学参量过程本质上区别的地方，表明光除电磁波属性外所具备的量子属性。然而对超荧光辐射的解释毕竟貌似一种“无中生有”的机制，对于不少信奉“眼见为实”的实验工作者，仍然会心存疑惑，难以升华为一种坚定的物理信念。
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| 图1 （a）由量子噪声经光参量放大形成的超荧光辐射环；（b）超荧光辐射背景上的非相干荧光光子经光参量放大放大形成的激光光斑（箭头标处）。 |
痛失先机.2005年7月的一天，终于在实验室观测到了由染料分子荧光作为信号种子光注入非线性光学晶体、经光参量放大后在超荧光背景环上出现的一个明亮的激光点（见图1（b）），大家都沉浸在无比的喜悦当中。可惜这一喜悦的持续时间并未长久，组里的同学拿来了一篇发表在APL上的论文，波兰科学院的同行已经率先发表了类似的工作。可见，我们还在犹豫和徘徊的时候，别人已经捷足先登了。在科学研究的竞赛中，只承认第一，没有第二。在这种情况下，我们只有奋起直追，并很快就扭转了战局。尽管原理性实验比国外晚了半年(APL,2006,89,061127)，但在该方向的实验研究我们小组在国际上是最深入的。实现了具有150飞秒时间分辨率（受激光脉宽限制），光学放大增益为106， 探测极限在150飞秒时间门内对于非相干荧光光子的数目为15个(J. Opt. Soc. Am. B,2007,24, 1633-1638)。相干光子的数目为单个光子（APL 92, 151109 (2008)）。
从操戈到握手. 我们关于单光子荧光放大瞬态荧光光谱仪测量极限即15个光子论文发表后，竞争对手在无法获得同一量级测量极限的情况下，对我们发表的实验数据产生怀疑并以评论方式质疑我们的实验结果，认为我们在极限条件下测到的并不是荧光光子，而是荧光激发飞秒脉冲激光在溶剂中通过自相位调制而形成的超连续白光相干光子，并推断我们的测量极限应该比15个光子高出数百倍。为了完全排除超连续白光的干扰，利用超连续白光只有前向传播的特点，实验中采用了后向荧光收集光路，从空间上将超连续白光和荧光光子彻底分开，测定了测量极限的上限为19个光子,而且只要给定足够长的数据累加时间，该极限的光子数目还可进一步降低，从而再次确认了该方法所能够达到的测量极限(J. Opt. Soc. Am. B, 2008, 25, 1627-1631)。通过这一轮打斗，澄清了学术上的是非，也赢得了对手的尊重，2009年国际第9届飞秒化学、飞秒生物与飞秒物理大会在北京大学召开，期间波兰科学家访问了我们实验室，大家握手言欢。
巧用量子噪声. 非共线荧光光参量放大具有很高的光学放大增益，同时不同波长的增益倍率严重依赖于泵浦光和信号光的入射角度及非线性光学晶体的切割角，如果不能对时间分辨荧光光谱进行可靠的矫正，那么基于荧光光子非共线光参量放大原理的飞秒时间分辨荧光光谱新方法就难以向实用方向迈进，一切努力也将半途而废。 在迫不得已的情况下，只能祭出超荧光是由真空量子噪声放大而成的理论，因为真空量子噪声谱在理论上是已知的，只要在荧光放大与超荧光环重叠处测量超荧光光谱，将其除以量子噪声的理论谱，就能够获得光参量放大的光谱矫正曲线。结果这一光谱矫正方法获得了成功， 能够给出可靠的时间分辨率荧光光谱（J. Opt. Soc. Am. B , 2009, 26, 1627-1634, Rev. of Sci. Instru. 2013, 84, 073105.
）。这样一来不但将量子噪声变成了该方法内禀的绝对参考光谱，而且也从实验上证实了量子噪声理论谱分布函数的正确性，加持了对真空涨落这一物理原理的信念。
量子噪声信号的剔除.噪声终归是噪声，在精密的测量中必须被剔除。超荧光环和荧光放大后的光斑具有相同的空间及光学特性，构成了荧光放大测量的一个亮背景，采用CCD记录光谱只能减去一个平均背景，而且只有当放大后的荧光光强度高于背景超荧光时，上述方法才凑效，极大地限制了其适用范围。在通常溶液中荧光光谱的测量只有在光学稀释级浓度（≤10-5 M）时,才能反应单个分子的光谱性质，时间分辨荧光光谱也不例外。同时荧光的激发光强应当越低越好，以免损坏样品。因此在上述条件下，参量放大后的荧光强度有可能远低于超荧光环的强度，显然采用CCD背景扣除的方法是无法获得时间分辨荧光谱的。为此，我们采用了32通路锁相放大器与32道光电探测线阵耦合的方法，通过对荧光激发光进行斩波调制，放大的荧光及背景超荧光信号经锁相放大器后，超荧光背景信号产生的直流信号被锁相放大器滤除。锁相放大器可将背景超荧光信号强度降至原先的1/100-1/300。以激光染料罗丹明6G为例，在浓度为10-5M，单脉冲激发光强为70 nJ的条件下，成功地测定了其飞秒时间分辨荧光谱，测量极限约为13个荧光光子，时间分辨率约100飞秒，并在低浓度下观测到单分子周围溶剂的重排过程（<1皮秒）及高浓度下基激复合物的形成过程（>10皮秒）（见图2）。光谱中量子噪声信号的成功剔除得益于和大连理工大学于清旭教授组的合作，实现了探测技术上的创新。
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| 图2.光学稀释级浓度(10-5M)条件下测定的罗丹明6G溶液的荧光光谱，激发光强70nJ/pulse,测量极限约为13个非相干荧光光子/pulse. |
俏也不争春
只把春来报
待到山花烂漫时
她在丛中笑。
致谢.感谢合作者美国南乔治亚大学的张景园教授，是他提出了这么富有挑战性的题目。感谢 UC Berkeley的沈元壤教授在研究初期的讨论和指导；感谢杨国桢院士和许祖彦院士在基金申请立项阶段给予的鼓励和推动。感谢基金委信息学部付便翔老师的信任。感谢在这一研究方向上的历届已毕业的博士：陈兴海，韩晓峰，陈海龙，党伟；感谢合作者大连理工大学的于清旭教授和陈珂博士在多道锁相放大器研制方面的合作；物理所赵继民研究员和吴令安研究员在相干光子测量极限方面的合作。
该项目由国家基金委信息学部重点项目和中国科学院知识创新工程重要方向项目的支持。
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| 图3.与沈元壤教授（右2）和张景园教授(右1)讨论。 |