0 引言

　　光谱测量作为观测物质发光和吸收特性的一种方法，在科学研究领域具有非常重要的作用。虽然采用扫描光栅光谱仪和探测阵列光栅光谱仪能够满足目前大部分光谱探测实验的需求，但由于使用的电荷耦合元件（CCD）探测器存在响应速度较慢、时间分辨率较低以及灵敏度受限的问题，无法实现对极微弱光的探测，因此限制了光谱仪在较大衰减的室外环境中的应用。单光子探测器是目前在极微弱光环境下的可靠探测器件，单个光子就能产生响应，而且响应速度极快，故被广泛应用于物质的荧光寿命测量领域[1]和量子测量领域[2]。

　　基于单光子探测器的光谱测量系统具有极高的探测灵敏度，该特性使其具有很好的应用前景，并已有较多相关研究。与传统光谱仪结构不同，基于单光子计数器的光谱测量系统大多采用时间相关单光子计数（TCSPC）[3]技术和离散傅里叶变换（DFT）[4]来实现对光谱的测量。其中，TCSPC是利用单光子探测器和时间-数据转换器（TDC），将统计时域信号的到达时间经过时间-波长转换后还原出原始光谱。DFT是采用光学元件或光学结构的色散特性将光信号的波长（或光频）信息映射到时域。常用的光学色散元件有单模光纤（SMF）[5]、色散补偿光纤（DCF）[6]、多模光纤（MMF）[7]以及啁啾光纤布喇格光栅（CFBG）[8-9]。这些色散元件存在一些缺点，例如：SMF在通信波段色散系数非常低，而长距离光纤在提高总色散的同时也会带来较大损耗；DCF仅能适用于通信波段；MMF存在模间色散会降低光谱的分辨率；CFBG在短近红外波段需要较高成本才能实现大色散及大带宽。除此之外，文献[10-11]分别提出了由多个光学元件组合而成的带宽大、色散效果好的光辐射源连续切片结构（SCISSORS）和自由空间角啁啾增强延迟（FACED）结构，能有效克服单个色散元件受工作波段的限制，但对各元件的位置提出了非常高的精度要求。

　　基于TCSPC的光谱测量系统的波长分辨率主要取决于色散元件的色散值和单光子探测模块的时间抖动，因此对色散元件及单光子探测模块的性能参数要求非常高，目前最高的波长分辨率为55 pm[9]。为了达到更高的波长分辨率与更大的光谱探测带宽，本文采用二维空间色散结构与单光子探测阵列相结合的方式，提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统。

3 结束语

　　针对极微弱光环境下的光谱测量应用，本文提出了基于单光子探测器阵列的光谱测量系统。在提高光谱测量灵敏度的前提下，采用二维色散结构和单光子探测器阵列结构进一步提高了光谱测量的波长分辨率和测量覆盖的波长范围，并从理论和实验两方面验证了光子计数与光功率的转换关系，有力地印证了单光子探测器阵列作为光谱末端探测器的可行性。但是，实验还存在许多需要提升拓展的地方，目前系统的实际测试带宽受到DBR激光源可调谱宽和单光子探测器阵列尺寸的限制，后续在条件允许的情况下可以使用短近红外波段的宽谱光源作为该光谱测量系统的光源，并使用更大阵列尺寸的单光子探测器对具体的光谱应用进行测量。

与现有的光谱仪相比，本系统探测灵敏度具有明显的优势；与传统的时间相关单光子计数光谱测量系统相比，本系统对器件性能要求低，波长分辨率也有显著提升，同时可探测的波长范围更大。本文的研究成果对后续单光子探测器阵列在光谱测量领域研究的开展具有较好的参考价值。