Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy extending to 20 {\textmu}m

Auteurs : Yu Mukai, Ryo Okamoto, Shigeki Takeuchi

Soumis à arXiv le 31 Oct. 2026
Résumé scientifique

Quantum infrared spectroscopy (QIRS), which exploits quantum interference between photon-pair generation processes, enables infrared spectroscopy using only visible and near-infrared (VNIR) light sources and detectors. Extending the spectral coverage of QIRS into the long-wavelength infrared region up to 20 {\textmu}m is crucial for the identification and characterization of a broad range of materials. However, implementing QIRS beyond 10 {\textmu}m has been challenging because the nonlinear materials used to date do not provide suitable photon-pair sources in this spectral region. Here, we design a wavelength-tunable photon-pair source based on a gallium selenide crystal and develop a QIRS system covering a broad spectral range from 8.6 to 20 {\textmu}m. Using this system, we measure the transmittance spectrum of a polystyrene film and observe characteristic absorption bands beyond 10 {\textmu}m relevant to identifying polystyrene and to probing local chain conformation. These results demonstrate that QIRS is capable of covering the entire molecular fingerprint region.

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Les articles les plus proches

  1. Très proche Autre approche du problème Cité par cet article
    Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy
    T. Tashima, Yu Mukai, Masaya Arahata et al. · 2023 · Optica · cité 36 fois · Pas encore résumé

    « Ultra-broadband quantum infrared spectroscopy » vise une spectroscopie infrarouge quantique à large bande, tandis que cet article étend explicitement la couverture jusqu’à 20 µm.

    Résumé scientifique

    Spectroscopy in the mid-infrared region is an indispensable tool for identifying molecular types in various fields, including physics, chemistry, and medical sciences. However, conventional infrared light sources, detectors, and noise from blackbody radiation have been the obstacles to miniaturization and higher sensitivity of infrared spectrometers. Quantuminfraredspectroscopy,whichusesvisibleandinfraredphotonpairsinaquantumentangledstate,hasattracted attentionasanewsensingtechnologythatenablesinfraredspectroscopywithdetectorsinthevisiblerange.However, thebandwidthofconventionalquantumentangledlightsourcesisatmost1 µ m or less, which hinders broadband measurements, which are important in spe…

  2. Très proche Même question
    Scanless quantum Fourier-transform mid-infrared spectroscopy for solids and surface analysis
    Paul Gattinger, M. Conti, Franziska Dietz et al. · 2026 · Pas encore résumé

    « Scanless quantum Fourier-transform mid-infrared spectroscopy for solids and surface analysis » caractérise des solides et interfaces par spectroscopie infrarouge quantique, comme la mesure du polystyrène ici.

    Résumé scientifique

    Quantum infrared (IR) spectroscopy is a novel technique based on nonlinear interferometry and quantum sensing with undetected photons. In this approach, spectrally far-separated correlated photon pairs are used for detection and probing, respectively. Hence, the probing wavelength domain (mid-IR) is substantially different from the detection spectral range (near-IR), which enables shot-noise-limited and cost-effective sensing schemes attractive for applied metrology. In this paper, we implement and employ a custom-built scanless quantum Fourier-transform mid-IR (sQFTIR) microspectrometer for chemical characterization and analysis of solids and interfaces. The sQFTIR system employs spectral-d…

  3. Très proche Même question Cité par cet article Utilisé en profondeur par cet article
    Broadband Quantum Spectroscopy at the Fingerprint Mid-Infrared Region
    A. Paterova, Zi S. D. Toa, Hongzhi Yang et al. · 2022 · ACS Photonics · cité 55 fois · Pas encore résumé

    « Broadband Quantum Spectroscopy at the Fingerprint Mid-Infrared Region » révèle des empreintes moléculaires infrarouges par détection proche infrarouge, comme cette étude du polystyrène.

    Résumé scientifique

    Numerous molecules exhibit unique absorption bands in the “fingerprint” infrared (IR) region, allowing chemical identification and detection. This makes IR spectroscopy an essential tool in biomedical diagnostics, sensing, and material characterization. However, measurements in the IR range are challenging due to the relatively poor performance, need for cryogenic cooling, and high cost of IR light sources and photodetectors. Here, we demonstrate that the mid-IR fingerprints of the sample can be revealed from measurements in the near-IR range using conventional silicon photodetectors. Our approach relies on the quantum interference of correlated photon pairs produced in strongly frequency no…

  4. Très proche Même méthode, autre problème
    High Resolution Hyperspectral Quantum Infrared Imaging with Undetected Photons
    Aadi Suketu Bharatia, Vidya Prakash Muppalla, Ananyaa Asthana et al. · 2026 · Pas encore résumé

    « High Resolution Hyperspectral Quantum Infrared Imaging with Undetected Photons » utilise l’interférométrie non linéaire et des photons non détectés pour imager en transmission, plutôt que mesurer un spectre de transmittance.

    Résumé scientifique

    Quantum sensing in the infrared regime often demands the use of expensive and cryogenically operated detectors. Nonlinear interferometry has paved the way for information transfer from the infrared to the near--infrared or visible regime in various quantum technologies. A particularly interesting application of these interferometers involves spectrally--resolved quantum imaging using undetected photons, enabled by the use of temperature--tunable parametric amplifiers. In this work, we demonstrate spectrally resolved transmission imaging with undetected photons around 1550 nm using a spontaneous parametric down conversion based folded nonlinear interferometric scheme, registering the attenuat…

  5. Proche Même question Cité par cet article
    Undetected Photon Spectroscopy in the Long-wave and Far Infrared
    Jing-Han Dong, Jing-Rui Zhang, Hai-Chen Zhou et al. · 2026 · cité 2 fois · Pas encore résumé

    « Undetected Photon Spectroscopy in the Long-wave and Far Infrared » étend également la spectroscopie infrarouge par photons non détectés jusqu’à 20 µm, avec un interféromètre fondé sur BGGSe.

    Résumé scientifique

    Spectroscopy with undetected photons allows the spectral response of a sample at long wavelengths to be measured through interference of a shorter-wavelength signal field, without directly detecting the light that probes the sample. Previous demonstrations of undetected-photon spectroscopy in the molecular fingerprint region have reached approximately 10.5 microns, leaving longer wavelengths largely unexplored. Here, we extend this approach to 20 microns wavelength, demonstrating infrared undetected-photon spectroscopy using a BaGa2GeSe6 (BGGSe)-based nonlinear interferometer while only the near-infrared (NIR) signal is detected using a silicon detector. Rotation of the BGGSe crystal provide…

  6. Proche Base de cet article Cité par cet article
    Quantum Fourier-Transform Infrared Spectroscopy for Complex Transmittance Measurements
    Y. Mukai, Masaya Arahata, T. Tashima et al. · 2021 · Physical Review Applied · cité 31 fois · Pas encore résumé

    « Quantum Fourier-Transform Infrared Spectroscopy for Complex Transmittance Measurements » établit une méthode QFTIR pour extraire les propriétés optiques, méthode mobilisée ici pour mesurer la transmittance.

    Résumé scientifique

    Harnessing the quantum interference of the pair generation processes, infrared quantum spectroscopy, based on nonlinear interferometers with visible-infrared photon-pair sources, enables the extraction of the infrared optical properties of a sample through visible photon detection without the need for an infrared optical source or detector. We develop a theoretical framework for quantum Fourier-transform infrared (QFTIR) spectroscopy. The proposed Fourier analysis method, which fully utilizes the phase information in the interferogram, allows us to determine the complex transmittance and optical constants for a sample in a simple setup without the use of any dispersive optics for spectral se…

  7. Proche Même méthode, autre problème Cité par cet article
    Scanless quantum Fourier-transform mid-infrared spectroscopy for rapid high-sensitivity hyperspectral mapping
    Paul Gattinger, Bettina Heise, A. W. Schell et al. · 2026 · cité 3 fois · Pas encore résumé

    « Scanless quantum Fourier-transform mid-infrared spectroscopy for rapid high-sensitivity hyperspectral mapping » applique la QFTIR quantique à la cartographie hyperspectrale, tandis que cet article mesure un spectre de polystyrène.

    Résumé scientifique

    Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy is a well-established technique for qualitative and quantitative chemical analysis. Classical FTIR systems rely, however, on direct mid-infrared (mid-IR) scan-based time-domain measurements of coherence functions; thus, the signal-to-noise ratio and measurement speed are constrained by design. In this paper, we demonstrate a scanless quantum FTIR (sQFTIR) technique that exploits principles of metrology with entangled photons to circumvent the limitations inherent to classical FTIR systems. The approach exploits the interferometric nature of the sensing paradigm and relies on frequency-domain measurements performed with a static, low-gain nonline…

  8. Proche Même méthode, autre problème Cité par cet article
    Mid-IR spectroscopy with NIR grating spectrometers.
    P. Kaufmann, H. Chrzanowski, Aron Vanselow et al. · 2021 · Optics Express · cité 34 fois · Pas encore résumé

    « Mid-IR spectroscopy with NIR grating spectrometers » mesure l’infrarouge avec des photons détectés dans le visible ou proche infrarouge, comme cette spectroscopie quantique.

    Résumé scientifique

    Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a crucial workhorse for a plethora of analytical applications and is suitable for diverse materials, including gases, polymers or biological tissue. However, this technologically significant wavelength regime between 2.5-10 µm suffers from technical limitations primarily related to the large noise in mid-IR detectors and the complexity and cost of bright, broadband mid-IR light sources. Here, using highly non-degenerate, broadband photon pairs from bright spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in a nonlinear interferometer, we circumvent these limitations and realise spectroscopy in the mid-IR using only a visible (VIS) solid-state laser and an of…

Les travaux antérieurs sur lesquels il s’appuie

  1. Proche Même méthode, autre problème
    Mid-IR hyperspectral imaging with undetected photons
    Marlon Placke, C. Lindner, Felix Mann et al. · 2024 · Quantum 2.0 Conference and Exhibition · cité 15 fois · Pas encore résumé

    « Mid-IR hyperspectral imaging with undetected photons » combine interférométrie non linéaire et transformée de Fourier pour sonder l’infrarouge, mais produit des images hyperspectrales.

    Résumé scientifique

    By combining a nonlinear interferometer in imaging-mode with Fourier-transform spectroscopy, we realize broadband mid-infrared hyperspectral acquisition with undetected photons. We demonstrate the novel imaging technique on polymer and bio-tissue samples using only near-infrared silicon-based cameras.

  2. Proche Base de cet article
    Infrared spectroscopy with visible light
    L. Krivitsky, D. Kalashnikov, A. Paterova et al. · 2015 · Nature Photonics · cité 380 fois · Pas encore résumé

    « Infrared spectroscopy with visible light » mesure l’absorption infrarouge par interférence non linéaire et détection visible, principe de la spectroscopie quantique étudiée ici.

    Résumé scientifique

    The refractive index and absorption coefficient of a medium in the infrared range are measured using visible spectral range components. The technique relies on nonlinear interference of infrared and visible photons, produced by down-conversion. Spectral measurements in the infrared optical range provide unique fingerprints of materials, which are useful for material analysis, environmental sensing and health diagnostics1. Current infrared spectroscopy techniques require the use of optical equipment suited for operation in the infrared range, components of which face challenges of inferior performance and high cost. Here, we develop a technique that allows spectral measurements in the infrare…

  3. Proche Même méthode, autre problème
    Frequency-domain optical coherence tomography with undetected mid-infrared photons
    Aron Vanselow, P. Kaufmann, I. Zorin et al. · 2020 · Optica · cité 89 fois · Pas encore résumé

    « Frequency-domain optical coherence tomography with undetected mid-infrared photons » exploite des paires de photons et la détection indirecte infrarouge, mais pour l’imagerie OCT.

    Résumé scientifique

    Mid-infrared light scatters much less than shorter wavelengths, allowing greatly enhanced penetration depths for optical imaging techniques such as optical coherence tomography (OCT). However, both detection and broadband sources in the mid-IR are technologically challenging. Interfering entangled photons in a nonlinear interferometer enables sensing with undetected photons making mid-IR sources and detectors obsolete. Here we implement mid-infrared frequency-domain OCT based on ultra-broadband entangled photon pairs. We demonstrate 10 ${\mu}$m axial and 20 ${\mu}$m lateral resolution 2D and 3D imaging of strongly scattering ceramic and paint samples. Together with $10^6$ times less noise sc…

  4. Proche* Même méthode, autre problème
    High-spectral-resolution quantum Fourier-transform infrared spectroscopy with pulsed laser excitation
    Jasleen Kaur, Yu Mukai, Ryo Okamoto et al. · 2024 · Physical Review Applied · cité 8 fois · Pas encore résumé

    « High-spectral-resolution quantum Fourier-transform infrared spectroscopy with pulsed laser excitation » applique la QFTIR quantique à la spectroscopie infrarouge, comme cet article.

  5. Proche Contexte plus large
    Terahertz quantum sensing
    Mirco Kutas, B. Haase, P. Bickert et al. · 2019 · Science Advances · cité 141 fois · Pas encore résumé

    « Terahertz quantum sensing » transfère l’information d’une région difficile à détecter vers des photons visibles, un principe voisin appliqué ici à l’infrarouge.

    Résumé scientifique

    Quantum sensing enables the measurement of sample properties in the terahertz frequency range by detecting visible photons. Quantum sensing is highly attractive for accessing spectral regions in which the detection of photons is technically challenging: Sample information is gained in the spectral region of interest and transferred via biphoton correlations into another spectral range, for which highly sensitive detectors are available. This is especially beneficial for terahertz radiation, where no semiconductor detectors are available and coherent detection schemes or cryogenically cooled bolometers have to be used. Here, we report on the first demonstration of quantum sensing in the terah…

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Mis à jour le 10 novembre 2026.