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 ·