《物理》：双光梳光谱学研究进展 Progress in dual-comb spectroscopy（中国科学院物理研究所）

双光梳光谱仪具有超高光谱分辨率、超快采样时间的特性，是研究分子吸收光谱的有力工具。文章介绍了双光梳光谱仪的基本原理以及它与传统傅里叶光谱仪的区别，叙述了几种典型的双光梳光谱仪构成及其用于测量分子吸收光谱的实验结果，并对双光梳光谱学做了详细说明。随着中红外光梳和中红外探测器技术的进一步发展，双光梳光谱学将会在大气污染监测、呼吸气体检测等重要的国计民生领域得到越来越广泛的应用。

团购合买资源类别：文库，文档格式：PDF，文档页数：8，文件大小：3.24MB

前沿进展双光梳光谱学研究进展米 2013-12-11收到 t email: hnhaneiphy-aeen 于子蛟韩海年′魏志义 Dol:10.7693/ws20140705 (中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190) Progress in dual-comb spectroscopy YU Zi-Jiao HaN Hai-Nian WEI Zhi-Yi (Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190. China) 摘要双光梳光谱仪具有超高光谱分辨率、超快采样时间的特性,是研究分子吸收光谱的有力工具。文章介绍了双光梳光谱仪的基本原理以及它与传统傅里叶光谱仪的区别,叙述了几种典型的双光梳光谱仪构成及其用于测量分子吸收光谱的实验结果,并对双梳光谱学做了详细说明。随着中红外光梳和中红外探测器技术的进一步发展,双光梳光谱学将会在大气污染监测、呼吸气体检测等重要的国计民生领域得到越来越广泛的应用。关键词双光梳光谱学,光学频率梳,傅里叶变换光谱学,中红外光谱学 Abstract Dual-comb spectrometers possess the advantages of both high resolution and short measurement times, which make them powerful tools in studying molecular spectroscopy This article explores the principles of dual-comb spectroscopy and makes a comparison with tradi- tional Fourier transform spectrometers. We then explain in detail both the structures and the mo- lecular absorption results of several typical dual-comb spectrometers. With the development of tical frequency combs and detector techniques in the mid-infrared region, dual-comb spectrosco- py is bound to be widely used in such fields as air pollution and breath gas detection in the near future Keywords dual-comb spectroscopy, optical frequency combs, Fourier transform spec- roscopy, mid-infrared spectroscopy 引言的载波包络相移锁定技术运用到飞秒放大激光的相位锁定,通过激发气体高次谐波,可以得近十几年来,光学频率梳技术在频标计量到软Ⅹ射线波段的孤立单阿秒脉冲。除了这及前沿基础物理研究领域发挥了巨大作用。例些传统领域的典型应用,光学频率梳技术近几年如,借助光学频率梳构成光钟的计时构件,将光在天文类地行星探测、光谱测量(包括THz)等频标的精度推进到10-量级門;利用光学频率梳领域也开始发挥重要作用。本文将对基于光学测量氢原子1s-2s能级跃迁频率,将里德伯常频率梳技术的双光梳光谱学研究进展进行评述和数的不确定度提高到10-量级国;将光学频率梳展望。光学频率梳之所以能应用到光谱学研究中, *国家自然科学基金(批准号:61378040)资助项目得益于其频域上整齐分布的一系列光谱谱线,这 460 物·43卷(2014年7期

前沿进展 ·43卷 (2014 年) 7 期双光梳光谱学研究进展* 于子蛟韩海年† 魏志义 (中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京 100190) Progress in dual-comb spectroscopy YU Zi-Jiao HAN Hai-Nian† WEI Zhi-Yi (Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics，Institute of Physics， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) 摘要双光梳光谱仪具有超高光谱分辨率、超快采样时间的特性，是研究分子吸收光谱的有力工具。文章介绍了双光梳光谱仪的基本原理以及它与传统傅里叶光谱仪的区别，叙述了几种典型的双光梳光谱仪构成及其用于测量分子吸收光谱的实验结果，并对双光梳光谱学做了详细说明。随着中红外光梳和中红外探测器技术的进一步发展，双光梳光谱学将会在大气污染监测、呼吸气体检测等重要的国计民生领域得到越来越广泛的应用。关键词双光梳光谱学，光学频率梳，傅里叶变换光谱学，中红外光谱学 Abstract Dual-comb spectrometers possess the advantages of both high resolution and short measurement times, which make them powerful tools in studying molecular spectroscopy. This article explores the principles of dual-comb spectroscopy and makes a comparison with traditional Fourier transform spectrometers. We then explain in detail both the structures and the molecular absorption results of several typical dual-comb spectrometers. With the development of optical frequency combs and detector techniques in the mid-infrared region, dual-comb spectroscopy is bound to be widely used in such fields as air pollution and breath gas detection in the near future. Keywords dual-comb spectroscopy, optical frequency combs, Fourier transform spectroscopy, mid-infrared spectroscopy 2013－12－11收到 † email：hnhan@iphy.ac.cn DOI：10.7693/wl20140705 * 国家自然科学基金(批准号：61378040)资助项目 1 引言近十几年来，光学频率梳技术[1] 在频标计量及前沿基础物理研究领域发挥了巨大作用。例如，借助光学频率梳构成光钟的计时构件，将光频标的精度推进到10－18量级[2] ；利用光学频率梳测量氢原子 1s—2s 能级跃迁频率，将里德伯常数的不确定度提高到10－12量级[3] ；将光学频率梳的载波包络相移锁定技术运用到飞秒放大激光的相位锁定，通过激发气体高次谐波，可以得到软 X 射线波段的孤立单阿秒脉冲[4] 。除了这些传统领域的典型应用，光学频率梳技术近几年在天文类地行星探测、光谱测量(包括 THz)等领域也开始发挥重要作用[5] 。本文将对基于光学频率梳技术的双光梳光谱学研究进展进行评述和展望。光学频率梳之所以能应用到光谱学研究中，得益于其频域上整齐分布的一系列光谱谱线，这 · 460 ·

些光谱谱线的间距相等,数量众多,光谱范围大,是进行光谱分析的天然气体样品池光电探测器光梳1,fp 的精密“刻线”,而且每个“刻线” 宽度都极其窄细,这也为获得高的数据采集卡和计算机光谱分辨率打下了基础。用飞秒光梳2,fm2 光学频率梳作为光源,就可以实现基于光学频率梳的光谱仪。根据测图1双光梳光谱仪结构示意图量原理的不同,光学频率梳光谱仪也可以分为空间色散型和傅里叶变换型两种,其中单个光学频率梳组十十十牛成的光谱仪通常采用光栅分光与光电探测器结合的空间色散型测量方法,使用的技术包括虚像共轭相位阵列(ⅥPA門、光学“游标卡尺” 技术等,这类光谱仪能获得的最大时间分辨率可以到百MHz量级。2002图2两列重复频率不同的光梳脉冲在时域上的干涉叠加年, Schiller提出了双光梳光谱仪 ( dual comb spectrometers))的概念。双光梳光谱仪的测量原理类似于傅里叶变换光谱仪,只2双光梳光谱仪基本原理是双光梳光谱仪采用两个重复频率稍有差异的光学频率梳作为干涉光源,取代了傅里叶光谱双光梳光谱仪利用两个重复频率略有差别的仪中的迈克耳孙干涉仪的机械动臂。这一全静光频梳拍频得到时域信号。图1是用于分子吸收态设计,在极大地提高测量系统稳定性的同光谱测量的双光梳光谱仪的结构示意图。它的基时,能将光谱分辨率直接提高到几个kH量级,本工作原理是:由一台光梳发出的探测光,经过比传统傅里叶光谱仪的分辨率(最高为几十MHz)气体样品池后被待测气体部分吸收,使得探测光提高了4个数量级:与此同时,采样时间可以缩会携带样品吸收谱的“指纹”信息。之后,该探短到微秒量级,相当于实时采样,这比传统傅测光与另一束参考光进行拍频,二者的重复频率里叶光谱仪的采样时间(秒量级)也提高了6个数会有微小的差别,然后用光电探测器(PD)采集拍量级。频后的时域干涉图样。将该图样进行傅里叶变换超高分辨率和实时性这两大特性,使双光等数据处理后,便可以在频域中得到待测气体分梳光谱仪具有广泛而重要的应用,例如,在环子的超精细光谱图。下面将从时域和频域两个方境监测中对大气污染气体的检测叫,在医学上面对双光梳光谱仪的基本原理进行分析对呼吸气体的检测“和对光学断层摄影成像的双光梳光谱仪需要让两台光学频率梳的重复检测,在原子分子学研究中对冷分子气体的频率(分别为m1和)有微小的频差4,即fp 检测,在半导体制造中对不纯气体的检测叫,f=。这一重复频率上的微小差别会导致两列等等。显而易见,能够实时地和高精度地测量出复杂气体分子的成分和组成的双光梳光谱锁模脉冲时域周期有一的延迟。如图2所仪,将会极大地推动以上关系到国计民生领域示,假设在某一时刻,两束光的脉冲峰值恰好完的快速发展全重合,PD探测到的光强I)便是一个强度极大 ·43卷(2014年7期 461

·43卷 (2014 年) 7 期图1 双光梳光谱仪结构示意图些光谱谱线的间距相等，数量众多，光谱范围大[6] ，是进行光谱分析的天然的精密“刻线”，而且每个“刻线” 宽度都极其窄细，这也为获得高的光谱分辨率打下了基础[7，8] 。用飞秒光学频率梳作为光源，就可以实现基于光学频率梳的光谱仪。根据测量原理的不同，光学频率梳光谱仪也可以分为空间色散型和傅里叶变换型两种，其中单个光学频率梳组成的光谱仪通常采用光栅分光与光电探测器结合的空间色散型测量方法，使用的技术包括虚像共轭相位阵列(VIPA)[9] 、光学“游标卡尺”[10] 技术等，这类光谱仪能获得的最大分辨率可以到百 MHz 量级。2002 年，Schiller 提出了双光梳光谱仪 (dual comb spectrometers)的概念[11] 。双光梳光谱仪的测量原理类似于傅里叶变换光谱仪[12] ，只是双光梳光谱仪采用两个重复频率稍有差异的光学频率梳作为干涉光源，取代了傅里叶光谱仪中的迈克耳孙干涉仪的机械动臂。这一全静态设计，在极大地提高测量系统稳定性的同时，能将光谱分辨率直接提高到几个kHz量级[13] ，比传统傅里叶光谱仪的分辨率(最高为几十MHz) 提高了4个数量级；与此同时，采样时间可以缩短到微秒量级，相当于实时采样，这比传统傅里叶光谱仪的采样时间(秒量级)也提高了 6 个数量级。超高分辨率和实时性这两大特性，使双光梳光谱仪具有广泛而重要的应用，例如，在环境监测中对大气污染气体的检测[14] ，在医学上对呼吸气体的检测[15，16] 和对光学断层摄影成像的检测[17] ，在原子分子学研究中对冷分子气体的检测[18] ，在半导体制造中对不纯气体的检测[19] ，等等。显而易见，能够实时地和高精度地测量出复杂气体分子的成分和组成的双光梳光谱仪，将会极大地推动以上关系到国计民生领域的快速发展。 2 双光梳光谱仪基本原理双光梳光谱仪利用两个重复频率略有差别的光频梳拍频得到时域信号。图1是用于分子吸收光谱测量的双光梳光谱仪的结构示意图。它的基本工作原理是：由一台光梳发出的探测光，经过气体样品池后被待测气体部分吸收，使得探测光会携带样品吸收谱的“指纹”信息。之后，该探测光与另一束参考光进行拍频，二者的重复频率会有微小的差别，然后用光电探测器(PD)采集拍频后的时域干涉图样。将该图样进行傅里叶变换等数据处理后，便可以在频域中得到待测气体分子的超精细光谱图。下面将从时域和频域两个方面对双光梳光谱仪的基本原理进行分析。双光梳光谱仪需要让两台光学频率梳的重复频率(分别为frep1和frep2)有微小的频差 Δf ，即frep2－ frep1= Δf 。这一重复频率上的微小差别会导致两列锁模脉冲时域周期有 Δf frep1 frep2 的延迟。如图 2 所示，假设在某一时刻，两束光的脉冲峰值恰好完全重合，PD探测到的光强I(t)便是一个强度极大图2 两列重复频率不同的光梳脉冲在时域上的干涉叠加 · 461 ·

前沿进展值;由于脉冲周期存在差别,在这之后的两个脉做相干外差拍频冲会在时间上分开,导致PD探测到的叠加光强由于光电探测器的响应时间较长(一般为ns 相应降低;当两个锁模脉冲在时域内完全错开量级),对周期在fs量级的光频段不能直接响时,PD测得的便是两東光强平均值的直接相加,应。光梳拍频后的信号恰好位于射频波段,该波这样就形成了千涉图样的背景强度。最后利用计段正好在探测器的频率响应范围内,这样探测器算杋对PD记录的干涉图样进行傅里叶变换,得就像一个低通滤波器一样,直接滤掉了光频信到射频谱,然后将该射频谱按一定比例进行转号,只保留了射频波段的拍频信号(如图2中的(0 换,转换到样品的光频吸收波段后,就能推算出曲线所示)。此时光电探测器测得的时域干涉图待测气体样品的吸收光谱样的傅里叶变换谱类似于光频梳谱的“射频频在频域上,两个光梳的光谱成分可分别表示为梳”结构(如图3中绿色线所示),其重复频率为光梳1:n/+/。, Δ∫,并且低频的“射频梳齿”与高频的“光频梳光梳2:n(a+4y)+/m, 齿”是一一对应的关系。这样,通过拍频、低通其中后为第一个光梳的重复频率,A为两光梳滤波和傳里叶变换三个过程,就可以将待测样品间的重复频率之差,且应满足4<,∫为载吸收谱由光谱转换到了射频,实现了频谱信息波包络相移频率(为方便分析,认为两个光梳的。的下转换。相同)。该表达式说明,在时域上呈周期性的光梳脉冲光对应了频域上一系列的频率“梳齿"”,而3双光梳光谱仪与传统傅里叶变换光且“梳齿”频率间隔恰好为重复频率的值。上述谱仪比较两列重复频率不同的双光梳脉冲光在频域上的拍频过程如图3所示,当探测光光梳1通过样品池从本质上看,双光梳光谱仪仍属于傅里叶变时,如果待测样品的吸收特性谱线正好与某个换光谱仪的范畴,但是相比于传统的光谱仪,其 “梳齿”对应,则相应的“梳齿”便会被部分吸千涉图样的实现方式有很大区别,这使得双光梳收,蓝线表示的就是被样品部分吸收后的频谱,光谱仪在光谱分辨率、采样时间以及光谱信号信红线表示的光梳2作为“参考”光梳,与光梳1噪比方面都具有明显的优势。光谱分辨率是衡量光谱仪性能光梳1光梳2 的重要参数。简单的光栅光谱仪的分辨率比较低,仅为几十GHz;虚像共轭相位阵列(ⅥPA)是2007年出现的新的分光技术,它能将光梳的梳齿”直接分光到二维空间上, 光频波段)/THz 其光谱分辨率可以达到亚GHz量拍频 ×(△/f)级。传统的傅里叶变换光谱仪内具有高精度的迈克耳孙干涉仪,其分辨率与动臂的移动距离成反比, 理论上,传统的傅里 f(射频波段)/kHz或MHz 图3两列重复频率不同的双光梳脉冲光在频域上的拍频过程叶变换光谱仪的分辨率可以达到无穷小,但实际上,由于光源强度以物·43卷(2014年7期

前沿进展 ·43卷 (2014 年) 7 期图3 两列重复频率不同的双光梳脉冲光在频域上的拍频过程值；由于脉冲周期存在差别，在这之后的两个脉冲会在时间上分开，导致 PD 探测到的叠加光强相应降低；当两个锁模脉冲在时域内完全错开时，PD测得的便是两束光强平均值的直接相加，这样就形成了干涉图样的背景强度。最后利用计算机对 PD 记录的干涉图样进行傅里叶变换，得到射频谱，然后将该射频谱按一定比例进行转换，转换到样品的光频吸收波段后，就能推算出待测气体样品的吸收光谱。在频域上，两个光梳的光谱成分可分别表示为光梳1： nfrep + fceo ，光梳2： n( frep + Δf ) + fceo ，其中frep为第一个光梳的重复频率， Δf 为两光梳间的重复频率之差，且应满足 Δf ≪frep ， fceo 为载波包络相移频率(为方便分析，认为两个光梳的fceo 相同)。该表达式说明，在时域上呈周期性的光梳脉冲光对应了频域上一系列的频率“梳齿”，而且“梳齿”频率间隔恰好为重复频率的值。上述两列重复频率不同的双光梳脉冲光在频域上的拍频过程如图 3 所示，当探测光光梳 1 通过样品池时，如果待测样品的吸收特性谱线正好与某个 “梳齿”对应，则相应的“梳齿”便会被部分吸收，蓝线表示的就是被样品部分吸收后的频谱，红线表示的光梳 2作为“参考” 光梳，与光梳1 做相干外差拍频。由于光电探测器的响应时间较长(一般为 ns 量级)，对周期在 fs 量级的光频段不能直接响应。光梳拍频后的信号恰好位于射频波段，该波段正好在探测器的频率响应范围内，这样探测器就像一个低通滤波器一样，直接滤掉了光频信号，只保留了射频波段的拍频信号(如图2中的I(t) 曲线所示)。此时光电探测器测得的时域干涉图样的傅里叶变换谱类似于光频梳谱的“射频频梳”结构(如图 3 中绿色线所示)，其重复频率为 Δf ，并且低频的“射频梳齿”与高频的“光频梳齿”是一一对应的关系。这样，通过拍频、低通滤波和傅里叶变换三个过程，就可以将待测样品的吸收谱由光谱转换到了射频，实现了频谱信息的下转换。 3 双光梳光谱仪与传统傅里叶变换光谱仪比较从本质上看，双光梳光谱仪仍属于傅里叶变换光谱仪的范畴，但是相比于传统的光谱仪，其干涉图样的实现方式有很大区别，这使得双光梳光谱仪在光谱分辨率、采样时间以及光谱信号信噪比方面都具有明显的优势。光谱分辨率是衡量光谱仪性能的重要参数。简单的光栅光谱仪的分辨率比较低，仅为几十 GHz；虚像共轭相位阵列(VIPA)是 2007 年出现的新的分光技术，它能将光梳的 “梳齿”直接分光到二维空间上，其光谱分辨率可以达到亚 GHz 量级[9] 。传统的傅里叶变换光谱仪内具有高精度的迈克耳孙干涉仪，其分辨率与动臂的移动距离成反比，即 δν ∝ 1 Δmax [20] 。理论上，传统的傅里叶变换光谱仪的分辨率可以达到无穷小，但实际上，由于光源强度以 · 462 ·

及迈克耳孙干涉仪动臂的机械移动速度均有限,其分辨率最高也飞秒Er光纤气体池只能达到几十MHz。激光器双光梳光谱仪分辨率可以通过如下公式进行计算颇率梳原子微波源数据采集及傅里叶变换其中M为单个光梳梳齿的线宽, tM为采样时间,且t∝△。由激光器fm2 此我们可以看出,对于双光梳光图4近红外掺铒光纤双光梳光谱仪实验装置谱仪而言,提高采样时间(即减小两个光梳的重复频率之差),提高光梳的重复频率比是传统的傅里叶变换光谱仪的10倍和减小光梳梳齿的线宽,都有利于提高光谱的分辨率。目前报道的双光梳光谱分辨本领可以达到4几种双光梳光谱学装置及结果 kHz的量级,远高于其他的光谱分辨仪器传统的傅里叶变换光谱仪中含有迈克耳孙干双光梳光谱学的光谱范围主要集中在近红外涉仪,要求动臂移动才能对光谱进行测量。这种和中红外波段,这一波段是大多数气体分子振动动态”光谱仪不仅对机械运动的精密控制提出和转动能级的吸收光谱区,也被称为“分子”指了较高的要求,而且还会大大提高采样时间,降纹区,因此双光梳光谱学是研究“分子指纹低光谱测量效率。一般情况下,采用迈克耳孙干的有力工具。由于双光梳光谱仪为“吸收型”的涉仪测量一次光谱需要几分钟的时间。光谱仪,因此两台光梳的输出波长就直接决定了双光梳光谱仪的“静态”设计避免了上述光谱仪的测量范围。掺铒或掺镱的光纤光梳的输问题,这不仅提高了系统的稳定性,而且也缩出波长在1-2m左右,可以作为近红外双光梳短了采样时间。从理论上讲,虽然双光梳光谱仪光谱仪的光源,对于2-6m的中红外光梳的采样时间为tx△,但实际上光电探测器我们既可以考虑采用非线性频率变换技术(差频采集到的干涉图样主要集中在两光梳的脉冲重或OPO等)来获得,也可以采用新型材料的锁合前后,因而可以根据实验需要,只采集这一时模激光器(例如Cr:ZnSe锁模激光器等)来直接获间段的干涉图样,这样就可以将采样时间降到取。下面就详细介绍这几种双光梳光谱学的几十s2 装置及结果。在拍频信号测量中,背景噪音的强度与待测频率的倒数成正比,即L∝1,所以在光电探 11-2um的近红外波段测器响应能力范围之内,信号的频率越高,越有近红外双光梳光谱仪采用的光源主要是掺铒利于提高信噪比。在传统的傅里叶变换光谱仪或掺镱的光纤光梳,图4是德国马克斯-普朗克中,迈克耳孙干涉仪的动臂移动会引入多普勒效量子光学研究所( MPQ)Hansch教授小组在2008年应,这种效应会使分光镜后的两列脉冲光产生声报道的近红外掺铒光纤双光梳光谱仪实验装置。频量级的重复频率之差。因此,最后经光电探测装置中的两台掺铒光纤光梳同时锁定到一台单器探测的干涉图样只能处于相应的声频波段。相频掺铒激光器上,这台单频掺铒激光器再通过比之下,双光梳光谱仪所得到的拍频信号处于射光梳锁定到氢钟参考源上,这样就使两台掺铒频波段,频率比声频高3个数量级,所以其信噪光纤光梳的∫和加都得到了相对锁定。其中 ·43卷(2014年7期

·43卷 (2014 年) 7 期图4 近红外掺铒光纤双光梳光谱仪实验装置及迈克耳孙干涉仪动臂的机械移动速度均有限，其分辨率最高也只能达到几十MHz[12] 。双光梳光谱仪分辨率可以通过如下公式进行计算： δν = Δν tM ·frep ，其中 Δν 为单个光梳梳齿的线宽， tM为采样时间，且 tM∝ Δf -1 。由此我们可以看出，对于双光梳光谱仪而言，提高采样时间(即减小两个光梳的重复频率之差)，提高光梳的重复频率和减小光梳梳齿的线宽，都有利于提高光谱的分辨率。目前报道的双光梳光谱分辨本领可以达到 kHz的量级[13，21] ，远高于其他的光谱分辨仪器。传统的傅里叶变换光谱仪中含有迈克耳孙干涉仪，要求动臂移动才能对光谱进行测量。这种 “动态”光谱仪不仅对机械运动的精密控制提出了较高的要求，而且还会大大提高采样时间，降低光谱测量效率。一般情况下，采用迈克耳孙干涉仪测量一次光谱需要几分钟的时间。双光梳光谱仪的“静态”设计避免了上述问题，这不仅提高了系统的稳定性，而且也缩短了采样时间。从理论上讲，虽然双光梳光谱仪的采样时间为 tM∝ Δf -1 ，但实际上光电探测器采集到的干涉图样主要集中在两光梳的脉冲重合前后，因而可以根据实验需要，只采集这一时间段的干涉图样，这样就可以将采样时间降到几十μs [22] 。在拍频信号测量中，背景噪音的强度与待测频率的倒数成正比，即 Inoise∝ 1 f ，所以在光电探测器响应能力范围之内，信号的频率越高，越有利于提高信噪比。在传统的傅里叶变换光谱仪中，迈克耳孙干涉仪的动臂移动会引入多普勒效应，这种效应会使分光镜后的两列脉冲光产生声频量级的重复频率之差。因此，最后经光电探测器探测的干涉图样只能处于相应的声频波段。相比之下，双光梳光谱仪所得到的拍频信号处于射频波段，频率比声频高3个数量级，所以其信噪比是传统的傅里叶变换光谱仪的103 倍。 4 几种双光梳光谱学装置及结果双光梳光谱学的光谱范围主要集中在近红外和中红外波段，这一波段是大多数气体分子振动和转动能级的吸收光谱区，也被称为“分子”指纹区[22] ，因此双光梳光谱学是研究“分子指纹” 的有力工具。由于双光梳光谱仪为“吸收型”的光谱仪，因此两台光梳的输出波长就直接决定了光谱仪的测量范围。掺铒或掺镱的光纤光梳的输出波长在1—2 μm左右，可以作为近红外双光梳光谱仪的光源[23] ；对于 2—6 μm 的中红外光梳，我们既可以考虑采用非线性频率变换技术(差频或 OPO 等)来获得[24] ，也可以采用新型材料的锁模激光器(例如Cr2+ ：ZnSe锁模激光器等)来直接获取[25，26] 。下面就详细介绍这几种双光梳光谱学的装置及结果。 4.1 1—2 μm的近红外波段近红外双光梳光谱仪采用的光源主要是掺铒或掺镱的光纤光梳，图4是德国马克斯—普朗克量子光学研究所(MPQ)Hansch教授小组在2008年报道的近红外掺铒光纤双光梳光谱仪实验装置[13] 。装置中的两台掺铒光纤光梳同时锁定到一台单频掺铒激光器上，这台单频掺铒激光器再通过光梳锁定到氢钟参考源上，这样就使两台掺铒光纤光梳的 fceo和 frep都得到了相对锁定。其中一 · 463 ·

前沿进展台掺铒光纤光梳输岀的一列脉冲光经过充满CH2里叶变换,才能得到准确的乙炔吸收谱。但幸运的气体池,然后和另一个掺铒光纤光梳输出的的是,光电探测器测得的时域干涉图样主要集中列脉冲光进行拍频,为了保持整个系统电子在峰值之后的很短的一段时间内,如果仅对这段同步,数据采集系统的采样频率也同步到了氢时域数据进行分析,不但不会过分影响测量精钟上。度,反而可以极大地缩短测量及计算时间。在最图5展示了用双光梳光谱仪探测乙炔吸收谱初实验中,只截取了峰值之后42μs内的时域信息时的探测和计算过程。光电探测器探测到的两列(见图5的“时域图”中放大的部分),经傳里叶变光梳的拍频信号(其中一列光梳已经经过气体池被换和频率上转换后,在1509-1545m的光谱范乙炔部分吸收,见图4)是周期性的脉冲信号(如图围内得到了乙炔的η+υ3能带吸收光谱,其分辨 5的“时域图”所示)。从理论上讲,我们至少需率可以达到12GHz(图5的频域图所示)。该实验要取出其中一个完整的时域周期,并对其进行傅说明:双光梳光谱仪仅用几十个微秒的采样时间,就可以达到一般气体多普勒展宽量级的分辨率;而另一方面,在如此短的采样时间内,两台锁模激光器频率∫c的漂移都可以忽略,所以两台振荡器的频率」。甚至都不傅里叶变换需要进行严格锁定了。相 C2H2 比之下,要在相同的光谱测量范围内达到同样的光谱分辨率,傅里叶变换光谱仪的测量时间需要长达 194 THz 1分钟当采样时间延长至6s 图5光电探测器的采样时间为42μs,得到的分辨率为12GHz的乙炔吸收谱时,实验结果如图6所 (a) 示。图6a),(b),(c)分别展示了不同放大倍率吸收光谱。测量的最低光 194.302TH 94410THz谱分辨率可以达到23kHz 1542,92n 1542.06nm (如图6(c)所示),相比于之前提高了7个数量级。而传统的傅里叶变换光谱 6 GHZ 仪要达到同样的分辨率则需要动臂在6s内移动 65km(速度接近火箭飞离地球的“第二宇宙速度”!),因此这一超高光图6光电探测器的采样时间为6s时得到的乙炔光谱分辨率为23kHz 谱分辨率对于传统的光谱物·43卷(2014年7期

前沿进展 ·43卷 (2014 年) 7 期图6 光电探测器的采样时间为6 s时得到的乙炔光谱分辨率为2.3 kHz 图5 光电探测器的采样时间为42 μs，得到的分辨率为12 GHz的乙炔吸收谱台掺铒光纤光梳输出的一列脉冲光经过充满C2H2 的气体池，然后和另一个掺铒光纤光梳输出的一列脉冲光进行拍频，为了保持整个系统电子同步，数据采集系统的采样频率也同步到了氢钟上。图5展示了用双光梳光谱仪探测乙炔吸收谱时的探测和计算过程。光电探测器探测到的两列光梳的拍频信号(其中一列光梳已经经过气体池被乙炔部分吸收，见图4)是周期性的脉冲信号(如图 5的“时域图”所示)。从理论上讲，我们至少需要取出其中一个完整的时域周期，并对其进行傅里叶变换，才能得到准确的乙炔吸收谱。但幸运的是，光电探测器测得的时域干涉图样主要集中在峰值之后的很短的一段时间内，如果仅对这段时域数据进行分析，不但不会过分影响测量精度，反而可以极大地缩短测量及计算时间。在最初实验中，只截取了峰值之后42 μs内的时域信息 (见图5的“时域图”中放大的部分)，经傅里叶变换和频率上转换后，在 1509—1545 nm 的光谱范围内得到了乙炔的 ν1 + ν3 能带吸收光谱，其分辨率可以达到 12 GHz(图 5 的频域图所示)。该实验说明：双光梳光谱仪仅用几十个微秒的采样时间，就可以达到一般气体多普勒展宽量级的分辨率；而另一方面，在如此短的采样时间内，两台锁模激光器频率 fceo的漂移都可以忽略，所以两台振荡器的频率 fceo甚至都不需要进行严格锁定了。相比之下，要在相同的光谱测量范围内达到同样的光谱分辨率，傅里叶变换光谱仪的测量时间需要长达 1分钟。当采样时间延长至6 s 时，实验结果如图 6 所示。图6(a)，(b)，(c)分别展示了不同放大倍率下的吸收光谱。测量的最低光谱分辨率可以达到2.3 kHz (如图 6(c)所示)，相比于之前提高了 7 个数量级。而传统的傅里叶变换光谱仪要达到同样的分辨率，则需要动臂在 6 s 内移动 65 km(速度接近火箭飞离地球的 “ 第二宇宙速度”！)，因此这一超高光谱分辨率对于传统的光谱 · 464 ·

仪是无法想象的。在这种超高分辨率下,光梳的梳齿甚至都可以增强腔锁模Yb光纤被清晰分辨,因此实验中测到的激光器乙炔吸收谱被密布的光梳梳齿锁模Yb光数据采集及所填充(如图6a)所示)。由于光做光器f=2 傅里叶变换梳有“频率标尺”的作用,因此可以利用此“频标”对气体吸图7含有共振增强腔的双光梳光谱仪收谱线的位置进行“自校准从而能更加准确地确定气体的大宝石激光器吸收频率在频域中的位置。 HgCdTe中红外探测器为了进一步提高双光梳光谱仪信号探测的灵敏度和信噪I 可以将原来“单通”的气体池改钛宝石激光器成“多通”的共振增强腔。如图8GaSe差频的中红外双光梳光谱仪结构示意图图7所示,探测光可以在共振增强腔内多次反射,增加气体吸收长度,从而有效地提高信号的灵敏度。 4.22-6μm的中红外波段般情况下,气体在中红外波段的吸收强度会比近红外 1000 1300 波段高1-2个数量级,因频率/cm 此,与近红外波段相比,中红图9GaSe差频的中红外双光梳光谱仪测得的吸收光谱图(a未充入吸收气体的光外双光梳光谱仪会有更高的灵谱;(b)充入吸收气体后的光谱敏度。产生中红外光梳的一种方法是采用差频ODFG)的技术。2003年,在第一的光谱对比图。可以看到,该气体在930960cm 个中红外双光梳光谱仪验证性实验中,Fiz的光谱范围内有明显的吸收现象,其光谱分辨率 Heilmann就利用自差频的方法,获得了中红外的光可以达到10kHz,但是由于两台钛宝石的重复频梳光源。如图8所示,两台钛宝石激光器的率不是特别稳定,所以得到的光谱会有一定的抖重复频率之差为2Hz,发出的近红外脉冲激光分动,该光谱图是将多幅光谱图叠放在一起得到的别聚焦到两块GaSe晶体上,利用GaSe的二阶非结果。线性效应产生中红外波段的差频光,两个差频光差频双光梳的另一实验案例如图10所示,该都具有m=0的特性。之后,用 HgCdTe中红外探中红外光谱仪是在201年由美国国家标准技术研测器探测到频率为nAm的拍频信号。究院(NST的 N.R. Newbury小组搭建的。两台近在上述实验的探测光光路中放入和放出吸收红外飞秒激光发出的脉冲光中心波长为1.56μm, 气体后,分别进行测量,他们最终得到了图9所示重频之差为1.5kHz。经过周期性铌酸锂晶体(PPLN ·43卷(2014年7期

·43卷 (2014 年) 7 期图9 GaSe差频的中红外双光梳光谱仪测得的吸收光谱图 (a)未充入吸收气体的光谱；(b)充入吸收气体后的光谱图8 GaSe差频的中红外双光梳光谱仪结构示意图图7 含有共振增强腔的双光梳光谱仪仪是无法想象的。在这种超高分辨率下，光梳的梳齿甚至都可以被清晰分辨，因此实验中测到的乙炔吸收谱被密布的光梳梳齿所填充(如图 6(a)所示)。由于光梳有“频率标尺”的作用，因此可以利用此“频标”对气体吸收谱线的位置进行“自校准”，从而能更加准确地确定气体的吸收频率在频域中的位置。为了进一步提高双光梳光谱仪信号探测的灵敏度和信噪比，可以将原来“单通”的气体池改成“多通”的共振增强腔[27] 。如图7所示，探测光可以在共振增强腔内多次反射，增加气体吸收长度，从而有效地提高信号的灵敏度。 4.2 2—6 μm的中红外波段一般情况下，气体在中红外波段的吸收强度会比近红外波段高 1—2 个数量级 [28] ，因此，与近红外波段相比，中红外双光梳光谱仪会有更高的灵敏度。产生中红外光梳的一种方法是采用差频(DFG)的技术。2003年，在第一个中红外双光梳光谱仪验证性实验中，Fritz Keilmann就利用自差频的方法，获得了中红外的光梳光源[16，29] 。如图 8 所示，两台钛宝石激光器的重复频率之差为2 Hz，发出的近红外脉冲激光分别聚焦到两块GaSe晶体上，利用GaSe的二阶非线性效应产生中红外波段的差频光，两个差频光都具有fceo=0的特性。之后，用HgCdTe中红外探测器探测到频率为 nΔfrep 的拍频信号。在上述实验的探测光光路中放入和放出吸收气体后，分别进行测量，他们最终得到了图9所示的光谱对比图。可以看到，该气体在930—960 cm－1 的光谱范围内有明显的吸收现象，其光谱分辨率可以达到10 kHz，但是由于两台钛宝石的重复频率不是特别稳定，所以得到的光谱会有一定的抖动，该光谱图是将多幅光谱图叠放在一起得到的结果。差频双光梳的另一实验案例如图10所示，该中红外光谱仪是在2011年由美国国家标准技术研究院(NIST)的N.R.Newbury小组搭建的[30] 。两台近红外飞秒激光发出的脉冲光中心波长为1.56 μm，重频之差为1.5 kHz。经过周期性铌酸锂晶体(PPLN) · 465 ·

得的乙炔1+能带吸收光谱(如图12所示)覆5结束语盖了从2370m到2525mm的光谱范围,绿框中显示的是2430m附近属于R支的吸收光谱细自从双光梳光谱学的概念被提出以来,相关的节。由于该光谱仪的两台光源的频率f并没有科研工作者在近红外和中红外波段研究领域做了大锁定,所以并不是严格意义上的光梳,只适合量的验证性实验,红外吸收谱是表征气体分子特性采样时间较短的光谱分析,长时间的采样会的重要“分子指纹”,所以在这一波段对双光梳的有很大的不稳定性,从而严重影响光谱的精研究探索具有十分重要的意义。与含有迈克耳孙度和信噪比,这方面还需要进一步改进干涉仪的传统傅里叶变换光谱仪相比,双光梳光除以上两种产生中红外光源的方法之外,光谱仪在光谱分辨率、采样时间以及信噪比方面都参量振荡(oPO)的方法在中红外波段也可以产生有更优越的性能。伴随着光学频率梳系统造价的光学频率梳,并且其中心波长可以调谐凹,也可降低以及双光梳理论和实验研究的进展,相信在以作为中红外波段双光梳的光源。不久的将来,双光梳光谱仪会有更加广泛的应用参考文献 [1] Diddams $A J. Opt. Soc. Am. B, 2010, 27:51 [17 Kray S, Spoler F et al. Opt Lett, 2008, 33: 2092 [2] Chou C W,Hume D B, Koelemeij JC et al. Phys. Rev. Lett., [18] Todd M W, Provencal R A, Owano T G et al. Appl. Phys.B 2010,104:070802 2002,75:367 3] Fischer M et al. Phys. Rev. Lett., 2004, 92: 230802 [19] Lehman SY, Bertness KA, Hodges J T J Cryst. Growth, 2003 4 Zhan MJ, Ye Pet al. Chin. Phys. Lett., 2013, 30: 093201 250:262 [S]韩海年,魏志义,赵刚.物理,2012,41(4):249 [20] Griffths PR, Hanseth J A. Fourier Transformation Infrared Spec- 6 Mandon J, Guelachvili G et al. Opt. Lett., 2007, 32: 1677 troscopy. New Jersey A John Wiley Sons, 2007. 28 [7 Marian A, Stowe M Cet al. Science, 2004, 306: 2063 21 Coddington I, Swann WC, Newbury NR. Phys. Rev. Lett. [8] Gerginov V, Tanner C E et al. Opt. Lett., 2005, 30: 1734 9] Diddams S Aet al. Nature, 2007, 445: 627 22]Schliesser A, Picque N, Hansch T W. Nat. Photon, 2012, 6: 440 [10] Gohle C, Stein B, Schliesser A et al. Phys. Rev. Lett., 2007, 99 [23] Zolot A M, Giorgetta FR et al. J. Quant. Spectrosc. R. T, 201 118:26 111] Schiller S Opt. Lett., 2002, 27: 766 [24]Adler F, Maslowski P et al. Opt. Exp, 2010, 18: 21861 [12] Mandon J, Guelachvili G, Picque N. Nat. Photon, 2009, 3:99 25] Picque N, Gueye F et al. Opt. Lett., 2005, 30: 3410 [13] Jacquet P, Mandon J, Bernhardt B et al. Frequency Comb Fouri- [26] Sorokin E, Sorokina I T, Mandon J et al. Opt. Exp, 2007, 15: er Transform Spectroscopy with kHz Optical Resolution. In 6540 Fourier Transform Spectroscopy. Washington, DC: Optical Soci- [27] Bernhardt B, Ozawa Aet al. Nat. Photon, 2010, 4:55 ety of America, 2009. paper FMB2, 3 pages 28 Adler F, Thorpe M J, Cossel K C et al. Ann. Rev. Anal. Chem 114] Spuler S, Linne M, Sappey A et al. Appl. Opt., 2000, 39: 2480 2010,3:17 [15] Wilson E L, Georgieva E M, Heaps WS. Meas. Sci. Technol. 29]Keilmann F Opt. Lett., 2004, 29: 1542 2007,18:149 30] Baumann E, Giorgetta FR et al Phys. Rev. A, 2011, 84: 062513 [16] Schliesser A, Brehm M, Keilmann F Opt. Exp, 2005,13: [31]Bernhardt B, Sorokin E, Jacquet P et al. Appl. Phys. B, 2010, ·43卷(2014年7期

·43卷 (2014 年) 7 期参考文献 [1] Diddams S A. J. Opt. Soc. Am. B，2010，27：51 [2] Chou C W，Hume D B，Koelemeij J C et al. Phys. Rev. Lett.， 2010，104：070802 [3] Fischer M et al. Phys. Rev. Lett.，2004，92：230802 [4] Zhan M J，Ye P et al. Chin. Phys. Lett.，2013，30：093201 [5] 韩海年，魏志义，赵刚. 物理，2012，41(4)：249 [6] Mandon J，Guelachvili G et al. Opt. Lett.，2007，32：1677 [7] Marian A，Stowe M C et al. Science，2004，306：2063 [8] Gerginov V，Tanner C E et al. Opt. Lett.，2005，30：1734 [9] Diddams S A et al. Nature，2007，445：627 [10] Gohle C，Stein B，Schliesser A et al. Phys. Rev. Lett.，2007，99： 263902 [11] Schiller S. Opt. Lett.，2002，27：766 [12] Mandon J，Guelachvili G，Picque N. Nat. Photon.，2009，3：99 [13] Jacquet P，Mandon J，Bernhardt B et al. Frequency Comb Fourier Transform Spectroscopy with kHz Optical Resolution. In： Fourier Transform Spectroscopy. Washington，DC：Optical Society of America，2009. paper FMB2，3 pages [14] Spuler S，Linne M，Sappey A et al. Appl. Opt.，2000，39：2480 [15] Wilson E L，Georgieva E M，Heaps W S. Meas. Sci. Technol.， 2007，18：1495 [16] Schliesser A，Brehm M，Keilmann F. Opt. Exp.，2005，13： 9029 [17] Kray S，Spoler F et al. Opt. Lett.，2008，33：2092 [18] Todd M W，Provencal R A，Owano T G et al. Appl. Phys. B， 2002，75：367 [19] Lehman S Y，Bertness K A，Hodges J T. J. Cryst. Growth，2003， 250：262 [20] Griffths P R，Hanseth J A. Fourier Transformation Infrared Spectroscopy. New Jersey：A John Wiley & Sons，2007. 28 [21] Coddington I，Swann W C，Newbury N R. Phys. Rev. Lett.， 2008，100：013902 [22] Schliesser A，Picque N，Hansch T W. Nat. Photon.，2012，6：440 [23] Zolot A M，Giorgetta F R et al. J. Quant. Spectrosc. R. T.，2013， 118：26 [24] Adler F，Maslowski P et al. Opt. Exp.，2010，18：21861 [25] Picque N，Gueye F et al. Opt. Lett.，2005，30：3410 [26] Sorokin E，Sorokina I T，Mandon J et al. Opt. Exp.，2007，15： 16540 [27] Bernhardt B，Ozawa A et al. Nat. Photon.，2010，4：55 [28] Adler F，Thorpe M J，Cossel K C et al. Ann. Rev. Anal. Chem.， 2010，3：175 [29] Keilmann F. Opt. Lett.，2004，29：1542 [30] Baumann E，Giorgetta F R et al. Phys. Rev. A，2011，84：062513 [31] Bernhardt B，Sorokin E，Jacquet P et al. Appl. Phys. B，2010， 100：3 得的乙炔 ν1 + ν1 5 能带吸收光谱(如图 12 所示)覆盖了从2370 nm到2525 nm 的光谱范围，绿框中显示的是 2430 nm 附近属于 R 支的吸收光谱细节。由于该光谱仪的两台光源的频率 fceo并没有锁定，所以并不是严格意义上的光梳，只适合采样时间较短的光谱分析，长时间的采样会有很大的不稳定性，从而严重影响光谱的精度和信噪比，这方面还需要进一步改进。除以上两种产生中红外光源的方法之外，光参量振荡(OPO)的方法在中红外波段也可以产生光学频率梳，并且其中心波长可以调谐[24] ，也可以作为中红外波段双光梳的光源。 5 结束语自从双光梳光谱学的概念被提出以来，相关的科研工作者在近红外和中红外波段研究领域做了大量的验证性实验，红外吸收谱是表征气体分子特性的重要“分子指纹”，所以在这一波段对双光梳的研究探索具有十分重要的意义。与含有迈克耳孙干涉仪的传统傅里叶变换光谱仪相比，双光梳光谱仪在光谱分辨率、采样时间以及信噪比方面都有更优越的性能。伴随着光学频率梳系统造价的降低以及双光梳理论和实验研究的进展，相信在不久的将来，双光梳光谱仪会有更加广泛的应用。 · 467 ·

点击进入文档下载页（PDF格式）

已到末页，全文结束

点击下载（PDF格式）

浏览记录