近十年来,单光子频率上转换成为新兴的一门技术被广泛的研究和应用。红外光因为其较低的光子能量而难以被探测器感应,因此相关应用一直都是世界上普遍的难题,而由于其波段的特殊性——覆盖通信波段,大气主要污染物吸收波段,物质分子吸收和发射光谱等,实现红外光灵敏的探测又非常重要,特别是具有红外光谱分辨能力的探测。而目前已有的方案已经能够对信号强度较高的红外信号光谱准确,精确,高分辨的探测,但是对于单光子水平的微弱宽光谱信号的检测手段还非常稀缺。本课题组近十年来一直从事单光子频率上转换探测的研究工作,利用同步脉冲泵浦系统,精密的时域和频域控制技术,实现了红外通信波段的光子高效转换和探测。本论文工作之一,就是尝试利用同步泵浦系统高转换效率,超低噪声的有点,来实现对单光子水平宽光谱近红外信号的探测,实现超低噪声,高灵敏的近红外光谱仪。频率上转换的另一重要应用,是作为量子通信传输波段和量子存储波段桥梁。量子通信传输为近红外通信波段,而现有的量子存储器大都工作在可见光区域。近来,光子轨道角动量作为新的维度引进到量子通信,给这个领域带来巨大的推动力,然而仍旧面临传输波长与存储波段不匹配的难题。本论文的另一主要工作,正是将同步系统的优点引入到量子通信领域,以实现高效率的以涡旋光为载体的量子通信传输与存储的桥梁接口。本论文的主要研究成果如下：搭建了可调谐的同步脉冲激光器系统,构建了近红外光谱仪系统,并用这套系统对硫化氢气体的吸收光谱进行检测,并与理论吸收光谱对比。实验测得结果较好的与理论相符,但是在吸收率较低光谱区域时,实验结果较为粗糙,我们随后对限制系统灵敏度及分辨率的原因进行分析,并提出进一步改进的办法。提出了应用于量子通信中光子轨道角动量为载体的通信传输和存储间的接口界面。我们验证了单光子水平涡旋光轨道角动量量子数在非线性光学过程中守恒。然后,用标准高斯泵浦光将轨道角动量子数为1的红外信号转换为可见光,转换效率高达68.3%,红外涡旋信号光转换后,空间信息保真度94.3%,系统噪声在转换效率最高时为3.8×103 s-,信噪比45：1。